清華材料學(xué)院陳娜等在室溫磁性半導(dǎo)體及器件研究中取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)12月14日電 近日，材料學(xué)院材料加工研究所非晶合金研究組陳娜副研究員和合作者通過(guò)誘導(dǎo)磁性金屬玻璃發(fā)生金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的方式，開(kāi)發(fā)出居里溫度高于600 K的p型磁性半導(dǎo)體，并基于此磁性半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了室溫p-n結(jié)和電控磁器件的制備（圖1b和c）。該成果于12月8日在《自然通訊》(Nature communications)在線(xiàn)發(fā)表，論文標(biāo)題為“源于鐵磁金屬玻璃的室溫磁性半導(dǎo)體”（A room-temperature magnetic semiconductor from a ferromagnetic metallic glass）。

圖1 (a)磁性半導(dǎo)體操控電荷和自旋示意圖，（b）居里溫度高于600K的p型磁性半導(dǎo)體，直接帶隙約為2.4 eV，（c）基于該磁性半導(dǎo)體的室溫電控磁器件表明其磁性為載流子調(diào)制。

磁性半導(dǎo)體兼具磁性和半導(dǎo)體特性，可以滿(mǎn)足人們對(duì)電荷和自旋同時(shí)調(diào)控的期望，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加工處理、存儲(chǔ)乃至輸運(yùn)，提供了一種全新的導(dǎo)電方式和器件概念(圖1a)。這種特性可用于開(kāi)發(fā)新一代電子器件，如自旋場(chǎng)效應(yīng)管和自旋發(fā)光二極管等，將會(huì)大幅度降低能耗、增加集成密度、提高數(shù)據(jù)運(yùn)算速度，在未來(lái)電子行業(yè)具有非常誘人的應(yīng)用前景?！犊茖W(xué)》（science）雜志在2005年提出125個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，其中“有沒(méi)有可能創(chuàng)造出室溫能夠工作的磁性半導(dǎo)體材料”，就是專(zhuān)門(mén)針對(duì)這種新型自旋電子學(xué)材料。

探索高居里溫度磁性半導(dǎo)體，并基于此材料開(kāi)發(fā)室溫實(shí)用型自旋電子器件一直是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究目標(biāo)。針對(duì)這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，陳娜及其合作者通過(guò)在居里溫度遠(yuǎn)高于室溫的磁性金屬玻璃中引入誘發(fā)半導(dǎo)體電性的元素使磁性金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體(圖1b)，并基于該p型磁性半導(dǎo)體與n型單晶硅集成實(shí)現(xiàn)了p-n異質(zhì)結(jié)和p-n-p結(jié)構(gòu)的制備，表明該新型磁性半導(dǎo)體可以和現(xiàn)有硅基半導(dǎo)體工業(yè)兼容。與此同時(shí)，對(duì)于載流子調(diào)制磁性的磁性半導(dǎo)體而言，其電學(xué)和磁學(xué)性能相互關(guān)聯(lián)；而基于此新型磁性半導(dǎo)體制備的電控磁器件通過(guò)外加門(mén)電壓調(diào)控其載流子濃度，實(shí)現(xiàn)了室溫磁性的顯著調(diào)控，進(jìn)一步證實(shí)該p型磁性半導(dǎo)體的本征電磁耦合特性（圖1c）。

該工作是陳娜指導(dǎo)材料學(xué)院碩士生劉文劍和張紅霞共同完成，參與該工作的還有清華大學(xué)材料學(xué)院姚可夫教授和宋成副教授、日本東北大學(xué)的王中長(zhǎng)副教授、香港科技大學(xué)的王向榮教授、中科院物理所的谷林教授等。論文的共同第一作者為碩士生劉文劍和張紅霞，論文的通訊作者為陳娜。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和教育部博士點(diǎn)基金的支持。

論文鏈接：

http://www.nature.com/articles/ncomms13497

供稿：材料學(xué)院 編輯：悸寔 華山