雙極磁性半導體

雙極磁性半導體（英文Bipolar Magnetic Semiconductors，縮寫BMS）是一類特殊的磁性半導體材料，它具有獨特的電子能帶結構：價帶頂和導帶底是100% 自旋極化的，且它們的自旋極化方向是相反的。雙極磁性半導體具有三個特徵能隙：價帶內的自旋翻轉能隙Δ1，半導體帶隙Δ2和導帶內的自旋翻轉能隙Δ3。它被認為是繼半金屬鐵磁材料和自旋無隙半導體材料之後，第三類重要的自旋電子學材料。

基本介紹

• 中文名：雙極磁性半導體
• 外文名：Bipolar Magnetic Semiconductors
• 外文縮寫：BMS

性質和潛在套用

自旋一般只能通過磁場來調控，這使自旋器件微型化和集成化難以實現，而用電場調控則可解決此矛盾。因此，如何實現利用電場調控電子的自旋，是自旋電子學面臨的關鍵科學問題之一。雙極磁性半導體就是為解決此問題而提出的。此類材料的獨特之處在於其價帶頂與導帶底具有相反的自旋極化方向，因而可通過調節費米能級的位置(例如施加門電壓（V_G），使其提供不同自旋取向的電子：V_G=0時，材料表現為本徵半導體性質；V_G < 0時，費米能級 (E_F) 向下移動到價帶的自旋翻轉能隙Δ1內，此時材料的載流子為100% 自旋上極化的；V_G > 0時，費米能級 (E_F) 向上移動到導帶的自旋翻轉能隙Δ3內，此時材料的載流子變為100% 自旋下極化的。 通過這種方式，雙極磁性半導體的載流子自旋方向可簡單地通過改變施加門電壓的正負極性來直接進行調控。這一方法突破了用磁場調控自旋的傳統模式，為發展新型電場調控的自旋電子學器件提供了一種全新的思路。基於雙極磁性半導體，可以構築雙極場效應自旋濾通器和自旋閥，也可以套用於對超導體的糾纏電子對進行電學探測和分離。相關綜述性文章請參考文獻。

材料發展

目前，基於第一性原理計算，已經有一系列雙極磁性半導體材料被預測出來，例如MnPSe₃ 納米片， Heusler合金 FeVXSi (X = Ti, Zr)， 雙鈣鈦礦A₂CrOsO₆ (A=Ca, Sr, Ba) 和 基於DPP分子的金屬有機片層。 然而，對這些材料的製備、在實驗上實現對自旋的電學操控仍然是一個挑戰，有待於實驗和理論學家進一步的努力。