稀磁半导体与自旋电子学
自旋电子学是近些年来在半导体电子学和磁电子学基础上发展起来的一门新兴交叉学科
自旋电子学是近些年来在半导体电子学和磁电子学基础上发展起来的一门新兴交叉学科。
丰富的物理内涵、明确的应用目标以及广阔的市场前景,自旋电子学已成为当今凝聚态物理和材料科学领域最为关注的方向之一。
其中,巨磁电阻的发现及在自旋器件上的应用是最有重大影响力的成果。
非易失性存储器和高密度磁存储器的诞生,不仅给基础研究注入了活力,更为市场带来了巨大的经济效益。
巨磁电阻研究的关键在于如何获得更为实用的低场室温磁电阻效应。
具有高自旋极化率的半金属材料,如掺杂锰氧化物,CrO2,Fe3O4等成为研究者的首选。
无论是提高半金属材料的内禀磁电阻,还是外禀磁电阻,都有着极大的研究和应用潜力。
研究表明,半金属颗粒复合体中,颗粒边界对低场磁电阻产生和增强有重要作用,调节颗粒边界势垒已成为颗粒体系中磁电阻增强的有效实验途径。
此外,掺杂锰氧化物中,3d/4d/5d 过渡族金属氧化物材料日益受到人们的关注。
在这类新型的磁电阻氧化物中,4d或5d金属离子较3d金属离子具有宽的d轨道和电子巡游特性,d电子与氧的2p电子存在较强的杂化作用。
自旋,轨道和晶格间的相互耦合,引起材料中大的电、磁响应以及巨磁电阻等丰富物理现象,为磁电阻材料研究范围的拓宽以及强关联电子体系中物理性质的探讨提供了新的实验依据。
另一方面,磁致冷技术的飞速发展使得凝聚态物理工作者越来越关注磁性材料的磁热效应。
传统的气体制冷存在众多的缺点,相比之下,磁制冷具有熵密度高、体积小、噪音小、无污染、高效低耗等独特优势。
磁制冷研究的关键在于获得室温附近大的磁热效应。
传统的金属钆（Gd）以及近年来报道的Gd5(Ge1-x Si x)4和La(Fe13-x Si x)等合金都是具有大磁熵变的磁性材料。
然而,这些材料中稀有金属的昂贵,化学性质的不稳定,居里温度单一,磁滞与热滞现象严重等因素,使得磁制冷技术的应用步履维艰。
值得注意的是,具有庞磁电阻的掺杂锰氧化物同样表现出了大的磁熵变效应,这一发现大大拓宽了磁制冷工质的研究范畴。
自旋电子学研究进展
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自旋电子学研究进展
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#$$"($)(#’ 收稿， #$$"($%("要： 自旋电子学是上世纪 *$ 年代以来飞速发展起来的新兴学科。与传统的半导体电子器件相比， 自旋电 子器件具有非挥发性、 低功耗和高集成度等优点。电子学、 光学和磁学的融合发展更有望产生出自旋场效应晶 体管、 自旋发光二极管、 自旋共振隧道器件、 调制器、 编码器、 解码器及用于量子计算、 量子通 +,- 频率光学开关、 信等装置的新型器件， 从而触发一场信息技术革命。文中介绍了自旋电子学的若干最新研究进展。 关键词： 自旋电子学；巨磁电阻；稀磁半导体；自旋相关输运 中图分类号： +."$! 文献标识码： / 文章编号： （#$$)） !$$$("’!* $!($$!($0
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“磁 隧 道 结 & 6$ 6 @ 磁 隧 道 结 的 巨 磁 电 阻 所 谓 （A4(",:0< 3*"",? B*"<:0.";， ” 是指由 “铁磁金属 A3B） 组成的三明治结构。其产 C 非磁绝缘体 C 铁磁金属” 生的 巨 磁 电 阻 效 应 也 称 隧 磁 电 阻 （ 3*"",? A4(",［!］ 效应。早在二十多年前 B*??0,=, 3AD） :.=,;0;:4"<,， 就研究了这种系统， 并指出其磁电阻效应来源于两 个铁磁层中自旋向上电子和自旋向下电子态密度
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
自旋电子学简介
自旋电子学简介一、什么是自旋电子学？自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造出来的新名词。
顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。
早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。
到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。
电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。
其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。
通过对电子电荷和电子自旋性质的研究，最近在电子学和信息技术领域出现了明显的进展。
这个进展的重要标志之一就是诞生了自旋电子学。
在传统的电子学中，数据处理集成电路所用的是半导体中电子的电荷，但并不是说电子的自旋自由度以前从没有用过，例如传统的数据存储介质，如磁盘，用的就是磁性材料中电子的自旋。
事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。
从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。
但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。
这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。
因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。
从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。
已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。
这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。
稀磁半导体的室温铁磁性研究进展
稀磁半导体的室温铁磁性研究进展摘要:由于具有室温铁磁性和在与电子自旋相关的电子器件上的潜在应用,稀磁半导体氧化物的研究引起了人们的高度关注。
实验上已经成功地制备了一系列具有室温铁磁性的氧化物稀磁半导体,其磁性特别是居里温度和磁性离子的磁矩与实验条件、制备方法、衬底选择等有密切的关系。
随着实验上稀磁半导体的制备成功,人们对其磁性机制也进行了大量的理论(计算)研究,然而至今也没有得出统一的结论。
稀磁半导体的铁磁性机制还需要大量的理论研究和实验论证,一旦投入应用,必将引发微电子革命,创造未来更加绚丽多彩的数字新生活。
1引入当前和未来是信息时代,今后对信息的处理、传输和存储的速度和规模的要求越来越高。
在信息处理和传输中扮演着重要角色是以半导体材料为支撑的大规模集成电路和高频率器件,在这些技术中它们都极大地利用了电子的电荷属性;而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储(如磁带、光盘、硬盘等)则是由磁性材料来完成的,它们极大地利用了电子的自旋属性。
然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的,彼此之间相互独立。
这是因为在传统的电子线路中电子是自旋简并的,自旋向上和自旋向下的电流是相等的,因而无法把电子的电荷和自旋属性区分开来并加以利用。
在一些铁磁性物质中,交换劈裂使得费米面处自旋向上和自旋向下的电子态密度不相等,导致两种自旋电流的大小不等而出现总的自旋极化电流。
操纵和利用这种自旋电流的设想开辟了物理学研究的新领域:自旋电子学(Spintronics)。
它是研究自旋极化电子的输运特性(包括自旋极化、自旋相关散射与自旋驰豫)以及基于这些独特性质来设计、开发新型电子器件的一门新兴的交叉学科。
由于自旋电子学同时利用了电子的电荷和自旋属性,这无疑将会给未来的信息技术带来巨大的变革。
与传统的半导体器件相比,自旋电子器件具有速度快、体积小、能耗低、非易失性、功能强等优点。
常见的半导体材料具有带隙却不具有自旋劈裂和磁性,而常见的磁性材料有自旋劈裂和磁性却不具有半导体的带隙。
半导体材料中的自旋电子学研究
半导体材料中的自旋电子学研究自旋电子学是一种新兴的物理学领域，它利用自旋作为信息传输的载体，在构建新型电子器件和磁存储技术方面具有广泛应用前景。
半导体材料是自旋电子学研究的重要领域之一，自旋电子学的研究需要在半导体材料中探索自旋-电荷耦合的作用，进而设计和制备高效的自旋电子器件和磁储技术。
一、半导体中的自旋电子学研究背景自旋电子学是在传统的电子学研究的基础上发展而来的新型领域，其研究对象是电子自旋和自旋携带信息的传输和控制。
半导体材料是自旋电子学研究的重要研究领域之一，因为半导体材料具有良好的电子传输性质和可控制造性质，从而使其在自旋电子学研究中有广泛的应用。
传统的自旋电子学研究主要集中在金属材料中，但金属材料的自旋-轨道耦合很小，很难实现高效的自旋电子器件的制备。
而随着半导体复合材料的研究逐渐成熟，半导体中的自旋电子学研究日益受到人们的重视。
半导体中的自旋电子学研究可以在普通的半导体材料中实现强自旋电荷耦合，可用于许多自旋电子器件，如自旋输运、自旋逻辑门和自旋激发等器件的制备。
二、半导体中的自旋电子学实验半导体材料中的自旋电子学研究需要通过实验探讨自旋-电荷耦合的机制和特性。
实验的一般流程可分为三个部分：半导体样品的制备、自旋压电效应的测量和自旋输运的研究。
以下分别阐述这三个部分。
半导体样品的制备：实验中制作半导体样品采用的通常是Molecular Beam Epitaxy（MBE）技术，这种技术可实现单晶半导体薄膜的制备。
通过MBE技术可使半导体薄膜在砷化镓（GaAs）基底或氮化镓（GaN）基底上生长。
在合适的实验条件下，利用MBE技术可以得到生长良好的半导体薄膜。
自旋压电效应的测量：利用压电效应可以实现电子自旋和晶格的耦合，将压电效应引入半导体中可以探索自旋电子学的研究。
自旋压电效应是借助电场调节半导体材料中的导带和价带自旋矩阵元，从而实现电子自旋和晶格的耦合。
实验中通常采用示波器和磁场强度计来测量样品在不同电场下的自旋压电信号。
ZnO基稀磁半导体材料的研究进展
ZnＯ基稀磁半导体材料的研究进展集半导电性和磁性于一体的磁性半导体,可以同时利用电子的电荷和自旋,兼备常规半导体电子学和磁电子学的优越性,被认为是2l世纪最重要的电子学材料．在自旋电子领域展现出非常广阔的应用前景，引起了人们对其研究的浓厚兴趣.在非磁半导体材料中掺杂磁性元素，将有可能使其变成磁性的.因而，从材料的磁性角度出发，半导体材料可以划分为非磁半导体(nｏnmaｇnｅtic sｅmicondｕctor)、稀磁半导体(dilutｅd magneｔｉc ｓemicｏndｕctor)和磁半导体(magｎeｔic semｉｃoｎducｔor)三种类型(图１)．稀磁半导体在没有外场作用时与非磁半导体具有相同的性质；反之,则具有一定的磁性．ＤMS的禁带宽度和晶格常数随掺杂的磁性材料离子浓度和种类不同而变化,通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件.氧化物DMＳ掺杂元素主要有过渡族元素（TＭ)、Sc、Ti、Ｖ、Cr、Mn、Ｆe、Co、Ｎi、Cu等以及稀土元素(ＲＥ)等,过渡族元素和稀土元素具有很强的局域自旋磁矩，这些元素掺入到半导体材料中,替代半导体材料部分阳离子的位置形成稀磁半导体.在外加电场或者磁场的影响下,材料中的载流子行为发生改变,从而产生了一般半导体材料所没有的一些新物理现象.如巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应、大的激子分裂、超晶格量子阱以及磁致绝缘体－-金属转变等．可以开发全新的、更微型化的半导体自旋电子器件，如自旋场效应晶体管(Ｓpiｎ—FＥT）、自旋发光二极管(Ｓpin—LＥD),同时还可以将目前分立的信息存储、处理、显示集成为一体,对微电子器件产生革命性的影响．１ DMS发展概述ＤMS的研究可以上溯到上个世纪６0年代，当时所研究的磁性半导体材料大多是天然的矿石,如硫族铕化物在半导体尖晶石中可以产生周期性的磁元素阵列．但这类磁半导体的晶体结构和Si、ＧaAs等半导体材料有极大的不同.其晶体生长极为困难，很小的晶体通常要花费数周的准备和实施时间．同时，居里温度Tc在１00K以下,导电性能接近绝缘体.经过几十年的研究,由于ＤMS的居里温度Tｃ远低于室温以及较低的饱和磁化强度，DMS没有能够得到广泛的应用．进入２0世纪80年代,人们开始关注稀磁半导体.即用少量磁性元素与II—V Ｉ族非磁性半导体形成的合金。
氧化物稀磁半导体的研究进展
氧化物稀磁半导体的研究进展摘要：稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性，并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料。
本文论述了氧化物稀磁半导体的研究进展。
关键词：稀磁半导体；ZnO；磁学性质；光学性质在各种类型的半导体材料中，氧化物半导体材料因为具有宽带隙的特点，所以能够实现n型载流子重掺杂，有利于强铁磁交换耦合在局域自旋之间进行，是实现高居里温度的最有希望的宿主化合物之一。
而氧化物半导体材料被过渡族金属掺杂后成为极具潜力的自旋电子材料之一。
一、氧化物稀磁半导体制备条件对磁性的影响氧化物稀磁半导体的制备工艺参数对材料性能有着重要的影响，制备方法的选取、不同基底和过渡层的选取、制备过程中基底温度和氧分压的微小变化等因素都可能影响到材料的最终性能。
制备温度越低，越不利于掺杂物的充分反应，易出现杂质，尤其是对于块状样品，制备温度会影响到掺杂物在整个样品中的均匀性；而过高的沉积或烧结温度又会使掺杂物有团聚的倾向，容易形成反铁磁耦合，从而降低饱和磁化强度。
氧化物稀磁半导体样品制备过程中氧分压的大小，以及随后进行的样品退火处理都会对氧化物稀磁半导体的磁性产生影响。
氧化物稀磁半导体磁性的起源与氧空位的存在有很大关系。
增加氧空位的方法有2种：①退火，包括真空退火和在H2气氛中退火，但在完全为H2的气氛中退火并不安全。
②改变制备过程中氧分压的大小。
在高真空中退火的Cr-ZnO，分别在空气中退火和真空中退火的Fe-TiO2，在Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Fe-ZnO，通过改变制备过程中氧分压的Mn-ZnO，以及在高真空或Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Cu-TiO2等都说明，不论以何种方式增加氧空位后，磁性都呈现一个从无到有或从弱到强的趋势。
不管是退火还是控制制备过程中的氧分压，都有一个共同的特点，即随着氧空位的增加(真空退火或氢气气氛中退火，或减少制备过程中的氧气含量)磁性呈现增强的趋势。
自旋电子学研究进展(磁学会议)
h
1
自旋
自旋
一、序言
四、半导体自旋电子
二、巨磁电阻GMR
五、MRAM研究进展
三、隧道磁电阻TMR h
2
一、序言
电荷 e1.60210x1019c
电子
电子
自旋 M s1.16530x1029W b/m
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种 载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。
MR(%)
CIP
CPP
1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
h
4
2
0
13
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
图中所示为样品的退火温度
28
2005.2 实验结果
室温：MR=220％ 4K：MR=300％
热稳定性可超过 4000C,有利于与 CMOS配合
用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80x80m2)
TA=3700C TA=3800C
TA=3600C
MgO:立方晶体(100)织构； CoFe：b.c.c.(100)织
构；IrMn：f.c.c.(100)织构
h
三种样品的TMR与退火温度的关系，
这就是自h 旋极化的各向异性起因。
22
2001.1实验结果
MgO单晶势垒的磁隧道效应
w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1)
自旋电子学的综述
自旋电子学及其在半导体中的应用摘要：自旋电子学主要研究电子自旋在固体物理中的作用，是一门结合磁学与微电子学的新兴交叉学科。
其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。
本文简单介绍了自旋电子学的概念及其内容综述了自旋电子学目前的研究，尤其是半导体自旋电子学，集中讨论了使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，最后对自旋电子器件的应用进行了展望。
关键词：自旋电子学自旋阀磁隧道结半导体自旋电子学一．名词解释1.自旋电子学[1](spintronics)也称为磁电子学，是一门磁学和微电子学相交叉的新兴的学科，它研究具有某一自旋状态(自旋向上或自旋向下)的电子的输运特性，是当前凝聚态物理的热点领域之一。
众所周知，电子除了带有电荷的特性外，还具有自旋的内禀特性，对于普通金属和半导体，自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。
2.半导体自旋电子学[2]电子同时具有电荷和自旋两种属性，电子的电荷属性在半导体材料中获得极大的应用，推动了电子技术、计算机技术和信息技术的发展。
使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，成为人们最关注的问题。
最初人们企图用铁磁金属与半导体材料直接欧姆接触，把极化自旋流注入到半导体材料中去，但是由于肖特基势垒太高，注入效率极低。
为了克服肖特基势垒，只有两个办法：寻找磁性半导体材料或利用隧道效应。
二．自旋电子学的起源1857年Thomson发现了在多晶结构的Fe中，具有各向异性磁电阻效应[3](anisotropy magnetore．sistance，AMR)，而传统的微电子学的研究对象是普通金属和半导体，所以在研究电子的输运过程中，往往忽略电子的自旋。
20世纪50年代人们在研究超导体时，将电子的自旋引入，认为参与超导输运的准粒子是费米面附近两个自旋相反，动量也相反的电子所组成的库柏对，建立了著名的BCS理论，但是BCS理论虽然将电子的自旋自由度引入到输运过程中，但是在库柏对中，电子是成对出现的，并没有去严格区分两种不同自旋的电子在输运中的差别。
SnO2稀磁半导体的制备与性能研究
目录摘要 (1)关键词 (1)1 概述 (2)1.1引言 (2)1.2稀磁半导体的研究概述和自旋电子学 (3)1.2.1自旋电子学 (3)1.2.2稀磁半导体定义和分类 (4)1.3稀磁半导体中的交换互作用 (4)1.3.1 d-d交换作用和磁性 (5)1.3.2 sp-d交换作用和磁性 (5)1.4稀磁半导体中的磁极化子 (6)1.5稀磁半导体的研究概况和进展 (6)1.5.1稀磁半导体的研究概况 (6)1.5.2稀磁半导体的研究进展 (7)1.6 SnO2半导体的结构及基本性质 (9)1.6.1 SnO2半导体的晶体结构 (9)1.6.2 SnO2半导体的能隙 (9)1.6.3 SnO2半导体的光电性质 (10)1.6.4 SnO2半导体的气敏性质 (10)1.6.5 SnO2半导体的湿敏性质 (10)1.6.6锰掺杂二氧化锡薄膜基稀磁半导体的应用前景 (11)2 锰掺杂二氧化锡薄膜的制备 (11)2.1溶胶-凝胶法制备锰掺杂二氧化锡薄膜 (11)2.1.1基本概念和原理 (11)2.1.2溶胶凝胶体系的选用 (12)2.1.3试验设备与器材 (12)2.1.4试样制备过程 (13)2.1.5薄膜结构的表征方法 (14)2.2 SnO2：Mn薄膜的结构和性能分析 (16)2.2.1样品表面形貌XRD的结果与分析 (17)2.2.2 样品SEM的结果与分析 (17)3 全文总结 (17)致谢 (19)参考文献 (20)SnO2稀磁半导体的制备与性能研究摘要SnO2薄膜作为新型功能材料，在现代技术领域得到了广泛的应用。
对于它的制备方法，确定了采用溶胶－凝胶旋涂法制备SnO2薄膜的工艺。
以无机金属SnCl2·H2O和MnCl2·4H2O为原料，采用溶胶凝胶旋涂法制备得到组成、微观结构、性能良好的2%Mn掺SnO2薄膜。
本文系统研究了热处理温度、薄膜厚度和锰掺杂浓度对SnO2薄膜微观结构、薄膜组成的影响。
稀磁半导体
稀磁半导体及其主要性质和应用稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors, DMS）是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素（transition metals, TM）取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度。
从实际应用中来看，以半导体材料为支撑的大规模集成电路空前的规模和高频率器件在信息处理和传输中扮演着重要的角色，在这些技术中它们都极大的利用了电子的电荷属性；而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储（如磁带、光盘、硬盘等）则是由磁性材料来完成的，它们极大地利用了电子的自旋属性。
然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的，彼此之间相互独立。
如果能同时利用电子的电荷和自旋属性，无疑将会给信息技术带来崭新的面貌，稀磁半导体就可以实现这些功能，并且由此产生了一门新兴学科，即自旋电子学。
我们所知的常见的半导体材料都不具有磁性，如：Si、Ge、GaA s、InP、ZnO、GaN、SiC等，而具有磁性的材料如：Fe、Co、Ni等及其化合物不具有半导体的性质，而且它们与半导体材料的表面势垒不能很好地相容。
半导体可以通过少量n型或者p型掺杂改变其特性，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，在GaAs、GaN、InP、ZnO等化合物半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用以及过渡金属离子之间的自旋交换作用可导致这类材料的磁性。
这种通过部分取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，称其为“稀磁”。
一般地讲，在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料，称之为“稀磁半导体”，它具有很多独特的性质和广泛的应用。
DMS材料同时利用电子的电荷属性和自旋属性，具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中新的研究热点。
矿业大学优秀毕业论文
实际半导体中除去与能带对应的共有化状态外，还存在着一定数目的束缚状态，它们由杂质或是缺陷引起，这些杂质和缺陷对半导体的性能特别是电学性能有着决定性的影响。所以，ZnO的缺陷和掺杂研究，对于其开发有着及其重要的作用。
2.3.1 缺陷的分类
自从认识ZnO在光电领域的潜在应用前景以来，人们就致力于研究ZnO材料中的固有缺陷，到目前为止，我们已经认识到ZnO存在着六种本征缺陷：氧空位（ ）、锌空位（ ）、反位锌（ ）、反位氧（ ）、填隙氧（ ）、填隙锌（ ）。由ZnO本身疏松的结构决定，在ZnO的所有的本征缺陷中，最容易形成的是填隙缺陷，即填隙锌、填隙氧缺陷，对晶体的性质地影响比较大。这些本征缺陷在不同的外界条件下，其形成能有所不同，因而会影响到缺陷浓度，因为缺陷浓度与缺陷形成能存在着下面的关系：
表1.1 ZnO的基本性能参数
室温下，ZnO的禁带宽度为3.37 ，激子束缚能高达60 ，比室温热离化能大很多，激子不易发生热离化，大大降低了室温下的激射阈值。由于这些特性，ZnO更适合于在室温或更高温度下实现高功率的激光发射，具有很大的应用前景。另外，ZnO化学稳定性好，易于实现掺杂，对环境无毒无害，对衬底也没有苛刻的要求，这些优点使得它成为一种很有前途的紫外光电子器件材料，极具开发和使用价值。
所以本课题针对Mn掺杂ZnO薄膜进行理论分析，主要从理论上分析、归纳Mn掺杂对ZnO薄膜的晶格结构、表面形貌、光学性能、铁磁性能等的影响。主要包括以下几个方面：
一、ZnO的研究背景以及掺杂ZnO的研究背景，研究意义。
二、ZnO的晶格结构、能带结构、密度分布图、基本性能研究以及应用，ZnO缺陷分类、作用，以及掺杂的基本方法，ZnO的形态结构，ZnO薄膜的应用。
目前Mg掺杂ZnO薄膜作为一种新兴的光电材料，引起了人们的浓厚兴趣,通过改变Mg的含量可使禁带宽度从3. 2～7. 8 连续可调，从而可以制得覆盖从蓝光到紫外广谱区域的半导体激光器，带隙连续可调性可以用来作为ZnO/Mg掺杂ZnO半导体量子阱及超晶格等结构的势垒层。因此，对Mg掺杂ZnO薄膜的制备和性质研究是一项很有意义的课题。近年来，通过理论计算我们已经预言了Mg掺杂的P型ZnO的居里温度高达300K以上， 同时显示出铁磁性， 因此很多研究者都对Mg掺杂的ZnO产生了浓厚的兴趣，认为它是一种很有前景的稀磁半导体材料（稀磁半导体是自旋电子学领域一个重要的研究内容，稀磁半导体(dilutedmagnetic semiconductor，简称DMS)又称半磁半导体，是指由磁性过渡金属离子和稀土金属离子部分替代非磁性阳离子后形成的一类半导体材料）在自旋电子学方面有着重要的应用。
研究磁性材料的自旋电子学性质及其应用
研究磁性材料的自旋电子学性质及其应用自旋电子学是研究自旋电子在材料中的性质和应用的一个重要领域。
磁性材料在自旋电子学中起到关键作用，其自旋电子的特性决定了材料的磁性和导电性能。
本文将主要探讨磁性材料的自旋电子学性质及其应用。
一、引言自旋电子学是在传统电子学基础上发展起来的一门新兴学科，它研究的是自旋电子的运动和行为。
自旋电子具有自旋角动量和磁矩，可以通过外部磁场调控其自旋状态，进而影响材料的电磁性质。
二、磁性材料的自旋电子学性质1. 自旋极化效应磁性材料中的自旋极化效应是指在外部磁场作用下，材料中自旋电子的自旋方向出现偏离。
这种自旋极化效应可以通过磁化率和磁滞回线等物理量进行表征。
自旋极化效应是研究磁性材料自旋电子学性质的重要指标。
2. 磁各向异性磁各向异性是指磁性材料中自旋电子在不同方向上的磁化行为不同。
它与材料的晶体结构密切相关，可以通过磁各向异性常数描述。
磁各向异性对于磁性材料的应用具有重要意义，可以用于制备高性能的磁记录介质和传感器器件。
3. 磁性相互作用磁性材料中的自旋电子之间存在着相互作用，主要包括自旋自旋相互作用和自旋轨道相互作用。
这些相互作用对于材料的磁性和电子输运性质起到重要影响。
例如，自旋自旋相互作用可以导致磁性材料的自旋有序态出现，而自旋轨道相互作用则可以影响电子的自旋状态和轨道运动。
三、磁性材料的自旋电子学应用1. 磁存储器件磁性材料的自旋电子学性质被广泛应用于磁存储器件的制备和优化。
例如，通过调控材料中的自旋极化效应和磁各向异性，可以实现高密度、低功耗的磁性存储器件。
自旋传输和自旋电流驱动存储器件的研究也成为了当前的热点。
2. 自旋电子输运磁性材料中的自旋电子具有不同于传统电子的输运行为，这为自旋电子学提供了广阔的应用场景。
通过利用自旋电子与材料之间的相互作用，可以实现自旋电子的控制和调控。
这对于开发具有自旋相关功能的电子器件具有重要意义，例如自旋电流传感器、自旋穆勒电场传感器等。
[毕业论文]稀磁半导体和稀土永磁...
![[毕业论文]稀磁半导体和稀土永磁...](https://img.taocdn.com/s3/m/4854e618b42acfc789eb172ded630b1c59ee9bfd.png)
第一部分：首先介绍了自旋电子学、稀磁半导体的概念和稀磁半导体的研究概况及 存在的一些问题。接着详细介绍了本论文所涉及的基本理论基础－－第一性原理计算 方法。包括：（1）第一性原理计算的理论基础：密度泛函理论；（2）第一性原理计算的实 现过程；（3）第一性原理计算程序 VASP。
第二部分：第一性原理计算是获得稀磁半导体中磁性掺杂原子的微观磁交换耦合 强度的有效途径。用 Monte Carlo 方法计算能得到与实验结果比较吻合的居里转变温 度。这一部分把这两种方法相结合，从微观上的磁相互作用到宏观的磁化行为，对 Co 掺杂 ZnO 做了全面的预测。首先，利用第一性原理计算得到 Co 掺杂 ZnO 的电子结构， 发现系统具有半金属的电子结构并且 Co-3d 和 O-2p 电子具有强烈的杂化作用，这是体 系具有稳定的铁磁基态的原因。接着，利用第一性原理计算得到的磁性耦合强度结合 Monte Carlo 模拟，预测 Zn1−xCoxO(x=5.55 %, 8.33 %, 12.5 %）稀磁半导体的居里转 变温度分别是 220K，360K，530K。其中较高浓度情况下的居里温度已经超出室温，故 Co 掺杂 ZnO 是有应用前景的稀磁半导体材料，可望在自旋电子学中得到应用。
稀磁半导体
磁光效应的增强是 DMS材料的又一特性，光偏振面的角度变化（法拉第角）可以反映材料内部 d电子与 p及 s电子之间相互作用的相对强弱。
特性
负磁阻效应
交换作用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
增强磁光效应
磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位置形成稀磁半导体，通过局域自旋磁矩和载流子之间存在强烈 的自旋-自旋交换作用，在外加电场或者磁场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生异于半导体基质的 特性。
稀磁半导体自旋-自旋交换相互作用是 DMS材料区别于非磁半导体材料的关键，也是形成各种磁极化子的主 要原因。在 DMS中，交换作用包括类 s导带电子和类 p价带电子同磁性离子的 d电子间的交换作用(sp-d交换作 用)和磁性离子的 d电子间的交换作用(d-d交换作用)。
离子注入法
稀磁半导体在对于DMS材料的研究中，各国科研人员采用离子注入方法来引入磁性离子。
前景
稀磁半导体兼具半导体和磁性材料的性质，使同时利用半导体中的电子电荷与电子自旋成为可能，为开辟半 导体技术新领域以及制备新型电子器件提供了条件。
尽管对于DMS材料应用的研究尚处于实验探索阶段，但已展示出其广阔的应用前景。如将 DMS材料用作磁性 金属与半导体的界面层，实现自旋极化的载流子向非磁性半导体中的注入，可用于自旋极化发光二极管的制造。
稀磁半导体
非磁性半导体中的部分原子被过渡金属 元素取代后形成的磁性半导体
氧化物稀磁半导体的研究进展 陈俊鹏
氧化物稀磁半导体的研究进展陈俊鹏摘要：氧化物稀磁半导体材料是制备电子自旋器件的主要材料，在自旋电子学相关领域中具有非常广阔的应用前景。
本文分析了氧化物稀磁半导体的磁性研究及进展。
关键词：氧化物；稀磁半导体；磁性在各种类型的半导体材料中，氧化物半导体材料因具有宽带隙的特点，所以能实现n型载流子重掺杂，有利于强铁磁交换耦合在局域自旋之间进行，是实现高居里温度最有希望的宿主化合物之一。
一、稀磁半导体研究发展过程新的研究热潮开始于20世纪80年代，由于材料样品的生长质量问题,早期的研究主要集中在光学性质方面。
经过多年研究,人们逐渐弄清稀磁半导体磁光性质的物理机制，由于Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体的磁学性质主要有局域磁矩之间的反铁磁超交换相互作用决定,因此随着温度和磁离子浓度的变化而呈现出顺磁、自旋玻璃和反铁磁的行为，部分Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体出现铁磁性,但其居里温度很低,使这些奇特的磁光性质在室温下都消失。
InMnAs和GaMnAs铁磁半导体的出现又使沉寂的稀磁半导体领域重新活跃起来,它不但重新激活了人们对磁性半导体材料的研究兴趣,而且带动了一门新兴的学科领域--半导体自旋电子学的发展。
二、氧化物稀磁半导体的磁性1、3d过渡金属掺杂氧化物稀磁半导体。
以ZnO半导体为例，研究5% 3d过渡金属掺杂的ZnO薄膜中，除Cr以外的其它3d过渡金属掺杂的薄膜均显示室温铁磁性，但掺杂元素不同，薄膜的ms差别较大。
这可能是由于各种3d过渡金属离子的3d轨道上电子数和排布不相同，在高自旋态下相应的净自旋数目不一致，从而使它们的ms各有差异。
另外，即使掺杂同一种过渡金属，若掺杂的浓度不同，单位过渡金属离子的ms也不相同。
如在ZnO:Co薄膜中，随着Co掺杂浓度的增大，薄膜的ms逐渐减小，这是因Co离子随机分布在ZnO晶格中占据着Zn离子的位置，掺杂浓度越高，Co离子就有更多机率占据相邻的Zn离子位置，从而使部分Co离子形成Co-Co反铁磁耦合，对ms没有贡献，导致薄膜ms减小。
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目前超大规模集成电路上元件的密度已达 107 108 / cm2 ， 器件尺寸已接近目前公认最小尺度 20 nm，要想突破这 个尺寸限制，就必须利用电子的自旋,把自旋作为信息储 存、处理、输运的主体。 自旋电子学是基于操纵和控制自旋的电子学，它或将自旋 (或磁性)作为信息的载体，通过电流或电压进行操控;或将 自旋或磁场作为操控电荷或电流信息的手段。操纵电子自 旋是指控制自旋的布居，或操控载流子集合的自旋取向， 或对单个电子或少数电子自旋进行相干操控。自旋电子学 可同时利用电子的自旋和电荷的性质，以实现电子学的功 能或量子计算。自旋电子学的研究对象包括电子的自旋极 化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此的应 用也得到了快速发展。
软磁材料： 在工业化潮流的推动下，上个世纪早期低矫顽力的软磁 材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡莫合金等软磁材料。 在无线电技术需求的推动下，40年代又发展了适用于射频 的磁粉介质、铁氧体材料，特别是后者，为电子技术带来 了翻天覆地的变革。 永磁材料： 金属永磁体，碳钢、钨钢及钴钢等。 铁氧体 稀土永磁材料 永磁材料在微波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工 业、国防和日程生活等各领域的应用极为广泛。
自旋电子学器件的三个层次 按照美国加州大学 Awschalom 教授的观点，自旋电子学器件 可分为三个层次： 基于铁磁性金属的器件； 自旋注入半导体器件； 单电子自旋器件。
目前进人应用的器件 (如 GMR 自旋阀)还只处于第一层次， 对于自旋控制和自旋极化输运的了解处于较为肤浅的阶段， 对各种新现象、新效应的理解基本上只是半经典的和唯象的。 因此，自旋电子学的发展还面临很多更大的挑战，当然，机 遇与挑战是并存的。
现代磁学向新磁学的过渡
经过近一个世纪的探索，对传统磁性基本问题的认识 逐渐趋于成熟 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题，整体来讲 基本磁学理论已经建立，对磁相关现象的认识不断深 化，从表面到本质、从宏观到微观，解释也逐渐趋于 完善。 对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言 体系的基态磁结构、磁化强度、电子自旋极化率。 有关传统固体软磁和硬磁性的研究，已逐渐成为材料 科学问题，而较少在凝聚态物理领域讨论了，磁学研 究的重心逐渐从传统磁学转向以自旋电子学为标志的 新磁学研究。
一、基于铁磁金属的自旋电子器件
巨磁电阻(GMR)效应
铁磁金属与合金的饱和磁致电阻值很小，只有约 1%一 5% 。 1988 年， Fe/Cr金属多层膜在外磁场中电阻变化率高达 50%的巨磁电阻效应(GMR) 被发现，各国科学家开始从理论和实验上对多层膜 GMR效应展开了广 泛而深人的研究。 GMR产生机制取决于非铁磁层两边的铁磁层中电子 的磁化 (磁矩)方向，用于隔离铁磁层的非铁磁层，只有几个纳米厚，甚 至不到一个纳米。当这个隔离层的厚度是一定的数值时， 铁磁层的磁矩 自发地呈现反平行，而加到材料的外磁场足够大时，铁磁材料磁矩的方 向变为相互平行。电子通过与电子平均自由程相当厚度的纳米铁磁薄膜 时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向一致的电子较易通过，自旋磁矩的 取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过。因此，当铁磁层的磁矩相 互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁 层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，从而 使磁电阻发生很大变化。
磁隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJ)
非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜即磁性隧道结，通常，磁性隧 道结是由两层纳米磁性金属薄膜(FM)和它们所夹的一层氧化物绝缘层 （I）所组成的三明治结构(FM/I/FM)，I 层的厚度约为1~1.5纳米。 这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻 依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。如果两铁磁电极的磁化方向 平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极 中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电极进人另一 个电极的少数自旋态的空态。即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能 带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度， 因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费 米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的 少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级 处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态， 因而其隧道电流变为最小。通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的， 可观测到大的隧穿磁电阻 (TMR) 。隧道结巨磁电阻可得到比自旋阀更 高的MR数值，新近的水平在室温下达到 40%。同时，磁隧道结还具有 低功率损耗、低饱和场等特点。MTJ 技术已用于制备比自旋阀更先进 的磁盘读出头，目前得到的磁记录密度最高约为20Gb每平方 英寸。
自旋阀(Spin-valve，SV)
对于反铁磁藕合的多层膜, 需要很高的外磁场才能观察到GMR效应，故 并不适用于器件应用。在GMR效应基础上，人们设计出了自旋阀，使 相邻铁磁层的磁矩不存在 (或只存在很小的 )交换耦合。自旋阀的核心结 构是两边为铁磁层，中间为较厚的非铁磁层构成的 GMR多层膜。其中， 一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为被钉扎层；而另外一层铁 磁层的磁矩对小的外加磁场即可响应，为自由层。由于被钉扎层的磁矩 与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致 GMR的电阻值改变。如此， 在较低的外磁场下相邻铁磁层磁矩能够在平行与反平行排列之间变换， 从而引起磁电阻的变化。自旋阀结构的出现使得巨磁电阻效应的应 用很快变为现实。
这种非耦合型自旋阀的优点有 （1）磁电阻变化率对外磁场 的响应呈线性关系，频率特性 好；(2)饱和场低，灵敏度高。 虽然自旋阀结构的磁电阻变化 率不高，通常只有百分之几， 但饱和场较低，使磁场灵敏度 大大提高；(3)自旋阀结构中 铁磁层的磁矩的一致转动，能 够有效地克服巴克豪森效应， 从而使信噪比提高。