磁性半导体强磁机理揭秘,原来是因为它

时间:2016-06-12 11:22:11 来源:技术在线 有0人参与

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日本东北大学近期宣布,查明了磁性半导体(Ga,Mn)As呈现强磁性的机理。研究人员通过名为“光电分光”的方法,成功直接观测到了(Ga,Mn)As的电子状态,发现被注入As键合轨道的空穴载流子对强磁性起着重要作用。

(Ga,Mn)As的晶体结构磁性杂质Mn与Ga置换后,Mn的电子自旋(箭头)统一为相同方向。(图片出自日本东北大学新闻发布资料)



角分辨光电子分光的概念图

通过向物质照射高亮度紫外线,精密测量释放出的光电子的能量和运动量,便可决定物质的电子状态。(图片出自日本东北大学新闻发布资料)


(Ga,Mn)As的强磁性模型

(a)为p-d Zener模型,(b)为杂质模型。实验结果表明,(a)中的p-d Zener模型充分解释了强磁性机理。(图片出自日本东北大学新闻发布资料) (点击放大)

(Ga,Mn)As是由代表性半导体GaAs在Ga原子位置高浓度注入磁性杂质——锰(Mn)而获得的物质,在20年前被发现。在该物质中,研究人员接连发现了与已有元件的亲和性高,以及与控制电子流的电子学和作为磁性源泉的电子自旋高度融合的现象,为构筑自旋电子学的技术基础做出了巨大贡献。

不过,对于“为何半导体会显示出强磁性”这个基本的物理问题,存在完全不同的两种看法,引起了争论。一种观点是“p-d Zener模型”,认为被注入As键合轨道的空穴在Mn的电子自旋间引起了强磁性相互作用。另一种观点是“杂质模型”,认为分布在Mn周围的空穴为相邻的杂质Mn提供了强磁性媒介。

此次通过使用光电子分光方法高精度决定(Ga,Mn)As的电子状态,研究了电子不足状态的空穴载流子是位于As键合轨道还是Mn杂质轨道。结果发现,表示空穴载流子存在的费米能级的位置位于As键合轨道内,认为As键合轨道位于杂质带下方的杂质模型无法解释。

随着元件的根本性工作原理逐渐被查明,在(Ga,Mn)As已被实际验证的众多自旋现象及器件功能方面,立足于物性物理学的理解将快速取得进展。另外,这还给高功能磁性半导体材料提供了设计指南,将加快新型自旋电子元件的开发速度。

相关成果已于6月6日(英国时间)在Nature旗下期刊《科学报告》(Scientific Reports)的在线速报版上发表。