材料学院陈娜副研究员等在室温磁性半导体及器件研究中取得重要进展

2017.01.12

    供稿

    材料学院

     

    创意

    映像设计组

     

    改编

    杨茂艺

     

    图片

    李筱甜

     

    编审

    赵鑫、尹霞、张歌明、张莉


    设计

    王寅、张颖、郭洁

     

11年前,《科学》杂志曾提出125个重要科学问题,其中之一是“有没有可能创造出在室温下能够工作的磁性半导体材料”。近日,清华大学材料学院材料加工研究所非晶合金研究组陈娜副研究员及其合作者通过诱导磁性金属玻璃发生金属-半导体转变的方式,开发出居里温度高于600 K的p型磁性半导体,并基于此磁性半导体实现了室温p-n结和电控磁器件的制备。

研发室温实用型磁性半导体的重要性在哪里呢?

首先,磁性半导体兼具磁性和半导体特性,可以满足人们对电荷和自旋同时调控的期望,为信息的处理、存储和运输提供了一种全新的导电方式。磁性半导体的运用对于开发新一代电子器件(自旋场效应管、自旋发光二极管等等)具有重要意义,将会大幅度降低能耗、增加集成密度、提高数据运算速度,在未来的电子行业具有非常诱人的应用前景。

  其次,探索室温实用型磁性半导体,并基于此材料开发室温实用型自旋电子器件一直是自旋电子学领域的关键科学问题。然而,到目前为止最为引人关注的稀磁半导体尤其是基于III-V族半导体的稀磁半导体材料居里温度仅仅为200k,无法满足电子器件在室温下工作的需求。

针对这一瓶颈,陈娜及其合作者采用“逆向思维”,通过氧化已有高居里温度磁性金属的方法制备新型磁性半导体,在保留磁性金属原有高温内禀磁性的同时使之获得半导体特性,由此开发出了居里温度高于600 K的新型Co28.6Fe12.4Ta4.3B8.7O46磁性半导体。

该磁性半导体为p型,带隙约为2.4eV,具有室温光致发光现象。进一步地,通过该p型磁性半导体与n型单晶硅的集成,制备了p-n异质结和p-n-p结构,表明该新型磁性半导体可以和现有硅基半导体工业兼容。除此之外,基于此新型磁性半导体制备的电控磁器件通过外加门电压调控其载流子浓度,实现了室温磁性的显著调控。

陈娜说:“我们的发现为制备具有独特功能特性的高居里温度磁性半导体材料开辟了一条新的路径。”该成果于2016年12月8日在《自然通讯》在线发表,论文标题为“源于铁磁金属玻璃的室温磁性半导体”。

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