过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的研究进展
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中增加过渡金属 Ｍ 的浓度。与此同时， ｎ 人们也想寻找一种 高
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于室温 的替代 材料 。理论 上 ， ｉｌ Ｄｅ 等人 最初提 出了一个平 均场 ｔ 模型， 预测 了具 有宽带 隙 的半 导体 通过 掺 杂过 渡 金属 元素 可 以获 得 居里温度 高 于室 温的 Ｄ ｓ ＭＳ 材料 ， 中尤 以 Ｚ Ｏ基 稀磁半 导 其 ｎ
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图１ 纤锌矿型Ｚ Ｏ的晶体结构图 ｎ
体 的研究最 为 突出 。许 多 的研究小 组 已经相继 报道 了采用 不 同方法合 成过 渡金属 （ ｓ 到 Ｎ ） 从 ｃ ｉ掺杂 Ｚ Ｏ基 ｎ 铁磁 性半导 体材料 的实验研 究 Ｌ 。本 文 主要是 对其 研究 进 展 进行 简 单概 述 ， 后对 Ｄ ｓ 料 的潜 在 应用 ７ 最 ＭＳ 材
如： 典型 的铁磁性 稀磁 半 导体 （ ａ Ｍｎ Ａ Ｇ ， ） ｓ已经 得 到 了广泛 而 深 人 的研究 ， 望 应 用 于 自旋 电子 学 领 域 。然 而 ， 的 居 里 温 度 有 它 （ ） 为 １３ Ｋ， 远 低 于 正 常 电 子 器 件 实 用 化 的 温 度 （≥ 仅 ７ 远 ２ ８ ， 在很大 程度 上将 成 为其 广 泛应 用 的 主要 障 碍 。为 了提 ９ Ｋ）这 高居里 温度 ， 人们 提出 了许多 可能 的解 决 办 法 ＿ ， 如 ： ６例 Ｊ 在半 导体
０ຫໍສະໝຸດ Baidu引 言
近年 来 ， 随着半导 体 自旋 电子学 的发 展 ， 磁半 导体作 为半 导体 自旋 电子 学 的 物质 基 础 ， 应 同 时具备 稀 它 铁磁 材料 和半导 体材料 的性 质 。故稀磁 半 导体 （ ｉ ｔ ｇｅｃＳｍｉ ｎｕｔ ｓ简称 Ｄ ｓ 又 称 为半 磁半 Ｄｌ ｅ Ｍａｎｔ ｅ ｃ ｄｃｏ ， ｕｄ ｉ ｏ ｒ ＭＳ ）
模集成电路和高频器件起着重要的作用； 同时， 在信息存储方面则是由磁性材料来完成的。正因为人类社会 和科 学发 展 的如此需 求量 ， 使得 同时具 有磁 学性 能 和半 导 体 特征 的 Ｄ ｓ 料 成为 当今 社 会材 料 科学 领域 ＭＳ 材 的研究热点之一， 它从根本上改变了传统半导体器件 的功能。这 无 疑将会 给信息 处理 、 传输 和存 储技术 引入 一个 崭新 的 领域 。例
导体（ ｅ ｉａｎｔ ｅ ｉ ｎｕｔ ｓ简称 Ｓ Ｓ ｓ 是指通过 磁性过渡金属或稀土金属元素部分替代 Ⅱ 一Ⅵ Ｓｍｍ ｇｅｃ ｍｃ ｄｃ ｒ， ｉＳ ｏ ｏ Ｍ Ｃ） 族 … 、 一Ⅵ族或 Ⅲ 一Ｖ族等半 导体 中 的非金属元 素 后所 形 成 的一类 新 型 半导 体 材料 【 Ｊ Ⅳ ２ 。通 过对 稀 磁半
收稿 日期 ：０ ００ ．２ ２ １ －５１ 基金项 目： 吉林省科技厅科技发展计划资助项 目［０ ９ ５９ ２ ００ ２ ］
作 者 简 介 ： 立 军 （９ １） 男 ， 宋 １７ ． ， 吉林 东 丰人 ， 授 ， 士 ， 教 博 主要 从 事 量 子 信 息 、 量子 光学 和凝 聚态 物 理 方 面 研 究 。
长
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报
第２ ０卷
四面体形状 排列 。Ｚ Ｏ的原 料来 源非常 丰富 、 毒 、 备条件 相 对简 单且 无 害 ， ｎ 无 制 化学 稳 定性 好且 具 有优 良的
压电和光电性能。最初 Ｄｅ 等人从理论的角度预测通过在 Ｚ Ｏ半导体中掺杂过渡金属元素可以得到 高 ｉｌ ｔ ｎ
于室 温的 Ｄ Ｓ 材料 ， Ｍｓ 因此 引起 了人们对 过渡金 属掺杂 Ｚ Ｏ和其它 金属 氧化物 基 Ｄ ｓ 如 ：ｎ ＴＯ ） ｎ ＭＳ（ Ｓ Ｏ 和 ｉ 的 广泛关 注 ， 大量的研 究工作 相继被 报道 。其 中因为 ＺＯ体 系 自身优 异 的压 电 、 电和透 明导 电等 性能 ， ｎ 光 也使
作简单 介绍 。
１ Ｚ Ｏ基 Ｄ Ｓ 材料 的简介 ｎ Ｍｓ
图 １ Ｚ Ｏ的晶体结 构 图 ，ｎ 为 ｎ Ｚ Ｏ晶体 具有 六 角 纤锌 矿 结 构 ， 一 种光 电和压 电相 结 合 的宽 禁 带 的直 接 是
带隙半导体材料， 其室温下的带隙为 ３ ３ｅ ， ．７Ｖ 激子结合能为 ６ ｍ Ｖ， ０ ｅ 其结构中每个 Ｚ 原子与四个 Ｏ原子以 ｎ
第２ ０卷
第 ８期
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Ｖｏ ． ０ Ｎ ． １２ ｏ ８ Ａｕ ．２ １ ｇ ００
２１ ０ ０年 ８月
Ｊ ＲＮＡ ＨＡＮＧＣ Ｎ ＮＩ ＲＳＴ ＯＵ Ｌ ＯＦ Ｃ ＨＵ Ｕ ＶＥ Ｉ Ｙ
过渡金属掺 杂 Ｚ Ｏ基稀磁半导体的研 究进展 ｎ
宋立军 ， 闫
（ 长春大学 理学 院，吉林
导体 的研究 发现 ， Ｍ ｓ 料具有 着优 良的磁 学 、 光学 以及 磁 电学 等性 能 ， 使 得它 在磁 感 应器 、 密度 存 Ｄ Ｓ材 磁 这 高 储器 、 半导体 激光器 、 导体集 成 电路 和 自旋量子 计算 机等方 面具 有广泛 而重要 的应 用前 景 【 。 自从进 人 半 ４ Ｊ ２ １世纪 以来 ， 信息 的汲取 量逐 渐成 为主宰人 类社 会发 展 的主要 动力 ， 们对 信息 处 理速 度 、 人 信息 传输 速度 和 信息存 储量 的需求 日益 增大 。进而 在信 息处理 和信息 传输 方面 以半导体 材料 （ ｓ和 Ｇ 如 ｉ ｅ等 ） 核心 的大规 为
岩
长春 １０ ２ ） ３０ ２
摘
要： 简要 介 绍 了 Ｚ Ｏ基 稀 磁 半 导 体 （ ＭＳ） 料 的 最 新 研 究进 展 ， 出 了该 领 域 的研 究 热 点 和 存 在 的 问题 ， ｎ Ｄ ｓ材 指 提
出 了可 能 的 解决 方案 ， 并在 此 基 础 上 对 Ｄ ｓ 潜 在 应 用 前 景进 行 了论述 。 ＭＳ 的 关 键 词 ：ｎ 稀 磁 半 导 体 ； Ｚ Ｏ； 过渡 金 属 ； 性 磁 中 图分 类 号 ： ４４ ０ ７ 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章编 号 ：０９—３０ （０ ０ ０ ０ ２ ０ １０ ９７ ２ １ ）８— ０ ７— ４
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如： 典型 的铁磁性 稀磁 半 导体 （ ａ Ｍｎ Ａ Ｇ ， ） ｓ已经 得 到 了广泛 而 深 人 的研究 ， 望 应 用 于 自旋 电子 学 领 域 。然 而 ， 的 居 里 温 度 有 它 （ ） 为 １３ Ｋ， 远 低 于 正 常 电 子 器 件 实 用 化 的 温 度 （≥ 仅 ７ 远 ２ ８ ， 在很大 程度 上将 成 为其 广 泛应 用 的 主要 障 碍 。为 了提 ９ Ｋ）这 高居里 温度 ， 人们 提出 了许多 可能 的解 决 办 法 ＿ ， 如 ： ６例 Ｊ 在半 导体
０ຫໍສະໝຸດ Baidu引 言
近年 来 ， 随着半导 体 自旋 电子学 的发 展 ， 磁半 导体作 为半 导体 自旋 电子 学 的 物质 基 础 ， 应 同 时具备 稀 它 铁磁 材料 和半导 体材料 的性 质 。故稀磁 半 导体 （ ｉ ｔ ｇｅｃＳｍｉ ｎｕｔ ｓ简称 Ｄ ｓ 又 称 为半 磁半 Ｄｌ ｅ Ｍａｎｔ ｅ ｃ ｄｃｏ ， ｕｄ ｉ ｏ ｒ ＭＳ ）
模集成电路和高频器件起着重要的作用； 同时， 在信息存储方面则是由磁性材料来完成的。正因为人类社会 和科 学发 展 的如此需 求量 ， 使得 同时具 有磁 学性 能 和半 导 体 特征 的 Ｄ ｓ 料 成为 当今 社 会材 料 科学 领域 ＭＳ 材 的研究热点之一， 它从根本上改变了传统半导体器件 的功能。这 无 疑将会 给信息 处理 、 传输 和存 储技术 引入 一个 崭新 的 领域 。例
导体（ ｅ ｉａｎｔ ｅ ｉ ｎｕｔ ｓ简称 Ｓ Ｓ ｓ 是指通过 磁性过渡金属或稀土金属元素部分替代 Ⅱ 一Ⅵ Ｓｍｍ ｇｅｃ ｍｃ ｄｃ ｒ， ｉＳ ｏ ｏ Ｍ Ｃ） 族 … 、 一Ⅵ族或 Ⅲ 一Ｖ族等半 导体 中 的非金属元 素 后所 形 成 的一类 新 型 半导 体 材料 【 Ｊ Ⅳ ２ 。通 过对 稀 磁半
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作 者 简 介 ： 立 军 （９ １） 男 ， 宋 １７ ． ， 吉林 东 丰人 ， 授 ， 士 ， 教 博 主要 从 事 量 子 信 息 、 量子 光学 和凝 聚态 物 理 方 面 研 究 。
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四面体形状 排列 。Ｚ Ｏ的原 料来 源非常 丰富 、 毒 、 备条件 相 对简 单且 无 害 ， ｎ 无 制 化学 稳 定性 好且 具 有优 良的
压电和光电性能。最初 Ｄｅ 等人从理论的角度预测通过在 Ｚ Ｏ半导体中掺杂过渡金属元素可以得到 高 ｉｌ ｔ ｎ
于室 温的 Ｄ Ｓ 材料 ， Ｍｓ 因此 引起 了人们对 过渡金 属掺杂 Ｚ Ｏ和其它 金属 氧化物 基 Ｄ ｓ 如 ：ｎ ＴＯ ） ｎ ＭＳ（ Ｓ Ｏ 和 ｉ 的 广泛关 注 ， 大量的研 究工作 相继被 报道 。其 中因为 ＺＯ体 系 自身优 异 的压 电 、 电和透 明导 电等 性能 ， ｎ 光 也使
作简单 介绍 。
１ Ｚ Ｏ基 Ｄ Ｓ 材料 的简介 ｎ Ｍｓ
图 １ Ｚ Ｏ的晶体结 构 图 ，ｎ 为 ｎ Ｚ Ｏ晶体 具有 六 角 纤锌 矿 结 构 ， 一 种光 电和压 电相 结 合 的宽 禁 带 的直 接 是
带隙半导体材料， 其室温下的带隙为 ３ ３ｅ ， ．７Ｖ 激子结合能为 ６ ｍ Ｖ， ０ ｅ 其结构中每个 Ｚ 原子与四个 Ｏ原子以 ｎ
第２ ０卷
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Ｖｏ ． ０ Ｎ ． １２ ｏ ８ Ａｕ ．２ １ ｇ ００
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过渡金属掺 杂 Ｚ Ｏ基稀磁半导体的研 究进展 ｎ
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（ 长春大学 理学 院，吉林
导体 的研究 发现 ， Ｍ ｓ 料具有 着优 良的磁 学 、 光学 以及 磁 电学 等性 能 ， 使 得它 在磁 感 应器 、 密度 存 Ｄ Ｓ材 磁 这 高 储器 、 半导体 激光器 、 导体集 成 电路 和 自旋量子 计算 机等方 面具 有广泛 而重要 的应 用前 景 【 。 自从进 人 半 ４ Ｊ ２ １世纪 以来 ， 信息 的汲取 量逐 渐成 为主宰人 类社 会发 展 的主要 动力 ， 们对 信息 处 理速 度 、 人 信息 传输 速度 和 信息存 储量 的需求 日益 增大 。进而 在信 息处理 和信息 传输 方面 以半导体 材料 （ ｓ和 Ｇ 如 ｉ ｅ等 ） 核心 的大规 为
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长春 １０ ２ ） ３０ ２
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要： 简要 介 绍 了 Ｚ Ｏ基 稀 磁 半 导 体 （ ＭＳ） 料 的 最 新 研 究进 展 ， 出 了该 领 域 的研 究 热 点 和 存 在 的 问题 ， ｎ Ｄ ｓ材 指 提
出 了可 能 的 解决 方案 ， 并在 此 基 础 上 对 Ｄ ｓ 潜 在 应 用 前 景进 行 了论述 。 ＭＳ 的 关 键 词 ：ｎ 稀 磁 半 导 体 ； Ｚ Ｏ； 过渡 金 属 ； 性 磁 中 图分 类 号 ： ４４ ０ ７ 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章编 号 ：０９—３０ （０ ０ ０ ０ ２ ０ １０ ９７ ２ １ ）８— ０ ７— ４