材料化学综述

稀磁半导体材料的研究进展及应用前景

吕艳

1前言

1.1稀磁半导体概述

稀释磁性半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)，也称半磁半导体是指在III-V族、II-VI族、II-V族或IV-VI族化合物中，由磁性过渡族金属离子或稀金属离子部分替代非磁性阳离子所形成新的一类半导体材料。理想的稀磁半导体应具有以下特点：居里温度

c

T>500K．铁磁性与形成载流子的杂质能带的自旋分裂相关联：可以选择n型和P型掺杂；具有高的迁移率和自旋散射长度；具有磁光效应和反常霍尔效应[1]。由于稀磁半导体材料所具备的半导体和磁性材料的综合特性，使其可广泛应用于未来的磁(自旋)电子器件，从而使传统的电子工业面临一场新的技术革命。

什么DMS材料能引起人们很大的兴趣?概括起来有以下方面原因，1．当前世界上对半导体和磁性二大类材料研究得比较广泛和深人。且广泛地应用于光电器件，仪表，通讯，航天等领域。如果能把这二大类材料的优点集中在同一种材料上，既具有半导体性，又有磁性，兼有两者共同的优点，其虚用面将更广泛。2．由

于稀磁性半导体(DMS)AⅡ

t-x ．M

a

B

Ⅱ

是三元组份。其中，带有磁佳的锰离子的组份

是可调的，其材料的物理参数也随组份的改变而不同。由于掺入了Mn，Mn“离子就取代了AⅡ族离子，Mn“分布在I族阳离子的品格上，在低温下，引起自由自旋。3．Mn原子取代了AⅡBⅥ晶格，使它具有较高的有效的电荧光性质。4．Mn 的存在可引起s，p价电子层和d电子层的电子与Mn”的交换作用，产生电子能级(价电子和杂质电予能级)的分裂。Mn“在晶体中的自由自旋性质的增强将会引起新的效应，像巨大的法拉第旋转。A一MnBⅥ的晶格参数和能带宽度随组份x 的可变性，使它有可能成为优良的量子阱超晶格材料。

以前DMS的研究主要集中在磁性离子引入半导体材料后出现的独特的磁学、电学和磁光性能方面。而当自旋电子学这一全新领域得到飞速发展后，在更广义的情况下，这个新的领域即自旋电子学(Spin—electronic sorpintronics)[2]。

它包括那些既不需要外磁场也不需要其他磁性材料而利用自旋的器件。如磁

阻传感器(MR)，一种包含金属铁磁体的多层材料。显示出巨磁阻(GMR)和隧道磁阻特性(TMR)，是今天众所周知的磁电子学器件，而它是基于上述两个自由度之间相互作用的基础之上的[3]。与此同时它也为DMS的研究开拓了新的研究领域，这是因为自旋电子器件一般需要使用在常温下保持磁性的半导体，但大部分DMS 的居里温度都远远低于室温，从而在常温的环境下失去磁性。[4]具有室温铁磁性的DMS是自旋电子学应用的基础，它是利用载流子的自旋和电荷自由度构造将磁、电集于一体的半导体器件。因而实现自旋电子器件应用的关键技术在于提高材料的居里温度。[5]制备出更多种类的材料和寻找出更广范更适合掺杂的元素来提高稀磁半导体材料的居里温度是当前的首要问题。[6]目前研究的焦点还有，稀磁半导体磁性的来源、DMS材料的实用化与DMS器件设计与研发等问题。针对这些问题，物理学、化学和半导体材料学界开展了大量的研究工作[7].

2 DMS的特点及分类

当前用于制备稀磁半导体的基质包括Ⅱ一Ⅵ族、Ⅳ一Ⅵ族、Ⅱ一V族及Ⅲ一V族化合物，通过Mn、Fe、Co和稀土等的磁性阳离子替代而形成A一MBDMS混晶。它由组分为普通化合物半导体AB和组分为磁性半导体MB组成，其中M为过渡金属或稀土金属。DMS中有两个相互作用的子系统：一个是与电性相联系的载流子(能带电子或空穴)；另一个是与磁性相联系的顺磁离子。这样在稀磁半导体中就存在着两种自旋一自旋交换作用：磁性离子与载流子之间的自旋交换作用(sp-d交换作用)以及磁性离子本身之间的自旋交换作用(d-d交换作用)。由于DMS的载流子与局域磁矩之间有强烈的自旋一自旋交换相互作用(sp-d交换作用)，改变了能带结构和载流子的行为，使载流子行为强烈地受到温度和外磁场的影响。因此在加外磁场时可使导带和价带产生大的自旋劈裂作用，从而出现诸如巨法拉第旋转效应、激子带的巨塞曼分裂、自旋超晶格、极大的g因子、巨磁阻以及磁致绝缘体一金属转变等新的物理现象，具有显著的磁光效应和磁输运性，在高密度非易失性存储器、自旋电子器件、磁感应器、光隔离器件、半导体激光器集成电路以及量子计算机等方面有着重大的潜在应用[8]。DMS在没有外磁场的情况下，显示的是普通半导体的性质，但在外场下就可显示出一定的磁性，具有半导体和磁性材料的双重性质。另外稀磁半导体最为重要的特点是其禁带宽度和品格常数随掺入的磁性离子浓度的不同而变化，通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件。稀磁半导体中的磁离子对外磁场有强烈的响应，如同外磁

场的放大器，增强因子可达10量级，使DMS在中等适度磁场下就出现巨大的磁光效应等一系列与普通半导体完全不同的新的物理特性。过去对稀磁半导体的研究主要采用Mn、Fe、Co等过渡族金属作为磁性阳离子来代替部分半导体元素，但由于其居里温度低于室温以及饱和磁化强度较低[9]，极大地限制了该类材料的应用。稀土元素由于其不满的4f层电子，掺杂到其他材料中，可获得优异的光、磁、超导等物理特性，同时Gd等稀土元素原子磁矩较大，作为磁性阳离子掺杂于Ⅳ一Ⅵ族半导体中替代Ⅳ族阳离子，可望开发出性能优异的新型稀磁半导体。

3 DMS的物理性质

3.1 磁学性质

绝大多数化合物半导体都是抗磁性的，但在用过渡族或稀土族金属离子部分、无规则地替代了化合物中非磁性阳离子后，在磁性质上发生了根本变化。磁学性质主要取决于材料中磁性离子之间的交换作用(d—d交换作用)，例如，含Mn的DMS材料中的Mn2+-Mn2+的d-d交换作用。d-d交换过程一般分为3类：两空穴过程、空穴一电子过程和两电子过程。磁性离子的浓度是决定其性质的重要因素。一般情况下，在相同磁场强度下晶体的磁性离子含量越多(有一定限度)，其磁化强度越高。随着温度丁和组分的变化，磁极化子浓度发生变化，导致DMS

材料发生磁相变。目前，研究表明Ⅱ一Ⅵ族DMS材料在一定温度和磁离子浓度范围内会出现3种磁相(顺磁相、自旋玻璃相和反铁磁相)，III—V族DMS材料中则表现出2种相(顺磁相和铁磁相)。例如，用低温分子束外延制备的In

一Mn x As

1-x

薄膜在低温下呈现出截流子感生铁磁有序，(CA，Mn)Se、(CA，Mn)Te、(Hg，Mn)Se、(Hg，Mn)Te等显示的磁学性质丰富了磁输运的内容。DMS在一定条件下可以发生的磁相变----顺磁一自旋玻璃的相变，可以从磁光法拉第旋转效应的测量上明显地观察到[10]。

4 稀磁半导体的表征

4.2磁性表征

超导量子干涉仪(SQUID)测量得出室温下样品的磁滞回线以及磁化强度随温度的变化曲线。测量M-H曲线时，磁场扫描范围-0．2—0．2T；测量曲线时，保