室溫透明磁性半導體及相關器件

《室溫透明磁性半導體及相關器件》是依託清華大學，由章曉中擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：室溫透明磁性半導體及相關器件
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：章曉中
• 項目類別：面上項目

項目摘要

目前的稀磁半導體大都是在半導體材料里摻入少量鐵磁元素，但是這種稀磁半導體的居里溫度不高，無法滿足電子自旋器件的工作要求。和稀磁半導體研究思路相反， 我們在磁性金屬里添加氧元素， 把該磁性金屬轉變為非晶態的室溫透明鐵磁半導體CoFeTaBO薄膜，該材料的居里溫度大於350 K，禁頻寬度為3.6eV，載流子濃度為10E21cm-3，該材料有顯著的反常霍爾效應，在低溫下有奇異的磁阻現象，還有極大的法拉第效應。該方法為研究室溫磁性半導體開闢了新路。本申請的主要研究內容是：（1）改進材料製備工藝，提高該新型室溫磁性半導體的物性；（2）研究如何採用離子液體雙電層結構來製備場效應器件，以實現在室溫下用電場來調控磁性；（3） 用該磁性半導體和Si構成的異質結做非偏振光的自旋注入研究；（4）研究我們的室溫磁性半導體中電磁光的相互作用和耦合以及如何利用它們構建新的器件。

結題摘要

過去人們採用在半導體裡摻雜鐵磁金屬來製備磁性半導體，但是這樣製備的磁性半導體居里溫度很難超過200K。本研究反其道而行，我們採用磁性金屬顆粒來製備塊體材料並在製備過程中將其氧化來製備磁性半導體。 我們採用磁控濺射法生長CoFeTaBO（CFTBO）薄膜，生長時通過調節樣品的氧含量來改變材料的物性。用TEM對樣品進行了結構的表征，發現樣品是由細小的晶粒（約5nm）構成的非晶態薄膜。我們標定了樣品氧含量與生長中通入氧氣的流量之間的關係， 用XPS我們測定了樣品中各元素分布及他們與氧含量之間的關係，還研究了氧流量對薄膜中各元素氧化態的演變的影響。 我們對CFTBO薄膜建立了一個具有n×n個結點的正方格線模型，通過MC模擬，研究了磁性顆粒的大小對磁化曲線的影響， 還研究了不同外場方向上薄膜的磁化性質。 我們發現隨著氧含量的增加，CFTBO的電阻率也會隨之增加。我們還在氧含量較高的樣品中發現了磁電阻現象， 該磁電阻可用基於不同磁性顆粒之間的隧穿磁電阻機理來解釋。我們發現隨著氧含量的增加，CoFeTaBO薄膜的透光率也隨之增加，光學帶隙也隨之增大（3.48eV-5.01eV）。還發現我們的CoFeTaBO薄膜可能是n型半導體。 我們採用離子液體做門電極，通過外加電場的方式對CoFeTaBO薄膜的磁化性能進行了調控。 本課題的主要研究意義在於：為研究磁性半導體開闢了一條新路，有可能獲得半導體性能良好的磁性半導體， 為自旋電子學套用提供新材料和新可能。 本課題期間： 發表SCI 論文20篇， 參加國際會議36次（做邀請報告14次），參加國內會議7次（做邀請報告16次），獲得發明專利9個(其中國際專利2個)。