在非磁性半導體中一定比例的原子被磁性離子所代替形成的合金材料稱為稀釋磁性半導體(DMS)，以ZnO為基體的稱為ZnO基稀磁性半導體。
在稀磁半導體材料的研究中，最初的工作都是集中在Ⅱ-Ⅵ族半導體，部分Ⅱ族元素的原子被Mn原子隨機取代。Dietl人首先預言了Mn摻雜的P型ZnO居里溫度高於300 K，而Fe，Co或者Ni摻雜的ZnO在電子摻雜的情況下被預言具有穩定高居里溫度鐵磁性。對於空穴摻雜的ZnMnO，載流子引起的鐵磁性也從理論上得到了預言，同時，利用改進P型摻雜的方法以改善鐵磁性質也有報導。
基本介紹
- 中文名：ZnO基稀磁性半導體
- 外文名：ZnO-based dilute magnetic semiconductors
- 釋義：一定比例的原子被磁性離子所代替
- 製備方法：離子注入法
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稀釋磁性半導體
稀釋磁性半導體(DMS)材料又叫做半導體自旋電子材料。在過去的十幾年裡，自旋電子學大大地提高了硬碟的容量，迅速進入計算機套用領域。在下一個十年，半導體自旋電子學有潛力在微電子和光電子技術中獲得重要的套用。從長遠來看，更具有革命性的套用是在量子計算中，這涉及限域體系中自旋相干耦合的量子力學規律的套用。
金屬自旋電子器件提供了存儲和閱讀硬碟、磁帶或者MRAM上信息的新方法，而半導體自旋電子學則提供更加豐富的套用方式。套用半導體自旋電子學能夠發展一種集成存儲、探測、邏輯和通信功能於一體的單個晶片，來代替多個部件。例如，它可以比現在的MRAM原型更好地集成MTJ和矽基電子學器件。半導體的光學性質也特別有利於轉換磁學信息成為光學信號。同時，自旋的操控比傳統電子學中電荷的操控在速度和需要的能量方面更具有優勢，開發這些優點的概念性器件已經被提出。
ZnO基稀磁性半導體研究
對於n型ZnO摻雜大多數過渡金屬離子如Co和Cr都具有鐵磁性，而Mn摻雜的ZnO則沒有鐵磁性。實驗上，在n型ZnO中觀察到鐵磁性，隘摻雜ZnO居里溫度高於300 K。採用雷射脈衝沉積技術在不同的襯底溫度(400～700℃)下在藍寶石(0001)上製備了Zn0.75Co0.25O薄膜，如下圖1所示。
結構和磁學性質的研究結果顯示，鐵磁六角Co團簇的存在導致了Co摻雜ZnO薄膜中的鐵磁性。W.Prellier等人給出了在zn1-xCoxO薄膜中均勻引入Co產生了鐵磁性，當x=0.08時居里溫度接近室溫，x=0。05時為150 K。
離子注入也被用來研究氧化物半導體材料中過渡金屬離子的磁學性質。在部分過渡金屬離子注入的ZnO單晶中，如(Co，Mn)共摻雜的ZnO∶Sn和(Cr，Fe)共注ZnO體單晶的材料中，觀察到了高溫鐵磁性。
最近，高於室溫的鐵磁性在hhl摻雜的ZnO體小球和2～3μm厚的透明薄膜樣品中被觀察到。鐵磁共振譜(FMR)研究被用來探測鐵磁有序以及可能存在的其他磁性樣品，並且清楚地給出了對於名義上摩爾分數為2%Mn摻雜ZnO小球的鐵磁譜，Tc超過425 K，如下圖2所示。
圖2 名義上摩爾分數為2%Mn摻雜的鐵磁和順磁共振譜
製備方法
離子注入
離子注入法是將需要注入的離子以一定的能量轟擊受注材料，離子以很高的速度進入受注材料內部的一種技術。
離子注入通常被廣泛套用於矽技術工業中的積體電路工藝，因為它具有可靠性，離子劑量的精確性和可重複性等。在半導體自旋電子材料開始被研究後，離子注入被給予了更多的關注，因為它是結合特殊磁性摻雜和受注半導體用於高溫鐵磁性質的非常有用的技術。過渡金屬離子如Mn，Fe，Co和Ni等，被注入主半導體材料，包括GaN，AIN，GaP，SiC，ZnO∶Sn，ZnCeSiN2和AlGaP等。
分子束外延
分子束外延是一種多用途和可控制的薄膜生長技術。磁性元素在Ⅲ．V族半導體中的溶解度是非常低的，但是為了在DMS中獲得鐵磁性，一定數量的磁性離子是必需的。而這只能通過非平衡晶體生長技術才能實現，比如低溫分子束外延(LT-MBE)。在最初的工作中，採用MBE方法生長了Mn含量在6%~9%(摩爾分數)的(Ga，Mn)N薄膜，顯示了很清晰的磁滯回線，在300 K時的矯頑力大約為4 138.22~6 764 A/m。MBE生長的n型(Ga，Mn)N薄膜也被報導具有室溫鐵磁性。在MBE GaN中，磁性離子的最高濃度限制大概在10%左右。居里溫度一般在220～370K範圍內，依賴於製備的條件。
