清華材料學院陳娜等在室溫磁性半導體及器件研究中取得重要進展



清華新聞網12月14日電 近日,材料學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誘導磁性金屬玻璃發生金屬-半導體轉變的方式,開發出居里溫度高于600 K的p型磁性半導體,并基于此磁性半導體實現了室溫p-n結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)在線發表,論文標題為“源于鐵磁金屬玻璃的室溫磁性半導體”(A room-temperature magnetic semiconductor from a ferromagnetic metallic glass)。

清華材料學院陳娜等在室溫磁性半導體及器件研究中取得重要進展

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

磁性半導體兼具磁性和半導體特性,可以滿足人們對電荷和自旋同時調控的期望,實現對信息的加工處理、存儲乃至輸運,提供了一種全新的導電方式和器件概念(圖1a)。這種特性可用于開發新一代電子器件,如自旋場效應管和自旋發光二極管等,將會大幅度降低能耗、增加集成密度、提高數據運算速度,在未來電子行業具有非常誘人的應用前景?!犊茖W》(science)雜志在2005年提出125個重要科學問題,其中“有沒有可能創造出室溫能夠工作的磁性半導體材料”,就是專門針對這種新型自旋電子學材料。

探索高居里溫度磁性半導體,并基于此材料開發室溫實用型自旋電子器件一直是自旋電子學領域的研究目標。針對這一關鍵科學問題,陳娜及其合作者通過在居里溫度遠高于室溫的磁性金屬玻璃中引入誘發半導體電性的元素使磁性金屬轉變為半導體(圖1b),并基于該p型磁性半導體與n型單晶硅集成實現了p-n異質結和p-n-p結構的制備,表明該新型磁性半導體可以和現有硅基半導體工業兼容。與此同時,對于載流子調制磁性的磁性半導體而言,其電學和磁學性能相互關聯;而基于此新型磁性半導體制備的電控磁器件通過外加門電壓調控其載流子濃度,實現了室溫磁性的顯著調控,進一步證實該p型磁性半導體的本征電磁耦合特性(圖1c)。

該工作是陳娜指導材料學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材料學院姚可夫教授和宋成副教授、日本東北大學的王中長副教授、香港科技大學的王向榮教授、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家自然科學基金、北京市自然科學基金和教育部博士點基金的支持。




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