北京凝聚态物理国家实验室研究发现新型稀磁半导体

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/29 03:09:09
近期,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件实验室靳常青研究组在基于自旋和电荷分别注入机制的稀磁半导体研究中取得重要进展。他们发现一类新的具有“122”铁基超导体同结构的稀磁体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2,得到居里转变温度(Tc)高达180K以上的稀磁半导体。

在半导体中引入自旋,在信息存储中同时利用电子的电荷和自旋双重属性,将有望为解决Moore定律带来的瓶颈效应提供重要解决方案。在半导体中实现 磁有序需要具备两个基本物理条件,既要有局域磁矩,又要有引发局域磁矩长程量子序的低浓度载流子。在几类已知的稀磁半导体中,磁矩和载流子均由同一种掺杂 元素提供,不能分别注入和调控。以最典型的基于III~V族的(Ga,Mn)As稀磁半导体为例,Mn2+对Ga3+的替代引入自旋的同时也提供了P型载流子,这种自旋和电荷的捆绑效应严重制约了对材料电、磁性质的调控。

为解决自旋电荷分别注入这个关键问题,该研究组在2011年首先发现了基于I-II-V族半导体的新型稀磁体Li(Zn,Mn)As【Nature Communications 2:422 (2011)】,其具有和GaAs同样的晶体结构。与GaAs不同,对Li(Zn,Mn)As在Zn2+位注入Mn2+只引入自旋,载流子浓度则通过改变Li的含量来进行调控。这样,在LiZnAs半导体中就可以实现自旋和电荷的分别注入,但其50K的Tc明显低于(Ga,Mn)As体系的铁磁转变温度。

最近,靳常青研究员指导的博士研究生赵侃等人发现了新型稀磁体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2,将铁磁转变居里温度大幅提升到180K以上。通过在Ba2+位替代K+控制载流子浓度,在Zn2+位掺杂Mn2+引入自旋,实现载流子和自旋的分别注入和调控。他们通过大量系统的实验工作发现,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2在30% K和10% Mn掺杂量时每个Mn离子具有接近1.3个Bohr磁子的饱和磁矩,铁磁居里温度(Tc)可达180K以上。

他们进一步发现,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2在在转变温度以下相当宽的温度范围内具有低的矫顽力(≤100Oe),为将来在低场条件下调控自旋和电荷的潜在应用提供了可能。本工作的合作者美国哥伦比亚大学物理系的Uemura教授,运用μSR技术研究了(Ba,K)(Zn,Mn)2As2的磁性,证实铁磁性起源于块体样品的本征属性。更为有趣的是,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2和“122”铁基超导体同构,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2稀磁体、(Ba,K)Fe2As2超导体、BaMn2As2反铁磁半导体晶体结构均相同,而且它们具有匹配的晶格参数(晶格参数失配度~5%)。这为设计基于磁性、半导体和超导体的异质结,探索新的物理效应和新的应用提供了重要基础。

靳常青研究组在2008年6月发现和命名了以LiFeAs为代表的 “111”型铁基超导体【Solid State Communications 148, 538 (2008)】,接着相继发现了“111”体系新组元LiFeP超导体【Eur. Phys. Lett. 87, 37004(2009)】,在高压NaFeAs超导体中得到了31K的“111”型最高超导转变温度【Eur. Phys. Lett. 88, 47008(2009)】。同时,对“122”型铁基超导体(Ca,Na)Fe2As2,该研究组的赵侃实现了大于33K的该化合物最高超导转变温度【J. Phys.: Condens. Matter 22, 222203 (2010)】。本次发现的122型稀磁体,是他们以上研究工作的深化和扩展。

以上工作发表在近期《自然—通讯》(Nature Communications)上(Nature Communications DOI 10.1038/ncomms2447),研究工作得到国家自然科学基金委重大国际合作项目、重大研究计划项目、科技部量子调控项目的资助。

http://www.21ic.com/news/analog/201302/159404.htm近期,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件实验室靳常青研究组在基于自旋和电荷分别注入机制的稀磁半导体研究中取得重要进展。他们发现一类新的具有“122”铁基超导体同结构的稀磁体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2,得到居里转变温度(Tc)高达180K以上的稀磁半导体。

在半导体中引入自旋,在信息存储中同时利用电子的电荷和自旋双重属性,将有望为解决Moore定律带来的瓶颈效应提供重要解决方案。在半导体中实现 磁有序需要具备两个基本物理条件,既要有局域磁矩,又要有引发局域磁矩长程量子序的低浓度载流子。在几类已知的稀磁半导体中,磁矩和载流子均由同一种掺杂 元素提供,不能分别注入和调控。以最典型的基于III~V族的(Ga,Mn)As稀磁半导体为例,Mn2+对Ga3+的替代引入自旋的同时也提供了P型载流子,这种自旋和电荷的捆绑效应严重制约了对材料电、磁性质的调控。

为解决自旋电荷分别注入这个关键问题,该研究组在2011年首先发现了基于I-II-V族半导体的新型稀磁体Li(Zn,Mn)As【Nature Communications 2:422 (2011)】,其具有和GaAs同样的晶体结构。与GaAs不同,对Li(Zn,Mn)As在Zn2+位注入Mn2+只引入自旋,载流子浓度则通过改变Li的含量来进行调控。这样,在LiZnAs半导体中就可以实现自旋和电荷的分别注入,但其50K的Tc明显低于(Ga,Mn)As体系的铁磁转变温度。

最近,靳常青研究员指导的博士研究生赵侃等人发现了新型稀磁体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2,将铁磁转变居里温度大幅提升到180K以上。通过在Ba2+位替代K+控制载流子浓度,在Zn2+位掺杂Mn2+引入自旋,实现载流子和自旋的分别注入和调控。他们通过大量系统的实验工作发现,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2在30% K和10% Mn掺杂量时每个Mn离子具有接近1.3个Bohr磁子的饱和磁矩,铁磁居里温度(Tc)可达180K以上。

他们进一步发现,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2在在转变温度以下相当宽的温度范围内具有低的矫顽力(≤100Oe),为将来在低场条件下调控自旋和电荷的潜在应用提供了可能。本工作的合作者美国哥伦比亚大学物理系的Uemura教授,运用μSR技术研究了(Ba,K)(Zn,Mn)2As2的磁性,证实铁磁性起源于块体样品的本征属性。更为有趣的是,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2和“122”铁基超导体同构,(Ba,K)(Zn,Mn)2As2稀磁体、(Ba,K)Fe2As2超导体、BaMn2As2反铁磁半导体晶体结构均相同,而且它们具有匹配的晶格参数(晶格参数失配度~5%)。这为设计基于磁性、半导体和超导体的异质结,探索新的物理效应和新的应用提供了重要基础。

靳常青研究组在2008年6月发现和命名了以LiFeAs为代表的 “111”型铁基超导体【Solid State Communications 148, 538 (2008)】,接着相继发现了“111”体系新组元LiFeP超导体【Eur. Phys. Lett. 87, 37004(2009)】,在高压NaFeAs超导体中得到了31K的“111”型最高超导转变温度【Eur. Phys. Lett. 88, 47008(2009)】。同时,对“122”型铁基超导体(Ca,Na)Fe2As2,该研究组的赵侃实现了大于33K的该化合物最高超导转变温度【J. Phys.: Condens. Matter 22, 222203 (2010)】。本次发现的122型稀磁体,是他们以上研究工作的深化和扩展。

以上工作发表在近期《自然—通讯》(Nature Communications)上(Nature Communications DOI 10.1038/ncomms2447),研究工作得到国家自然科学基金委重大国际合作项目、重大研究计划项目、科技部量子调控项目的资助。

http://www.21ic.com/news/analog/201302/159404.htm
有啥用?达人解释下!
做存储的吗?好厉害呀。
做超导吧,看着像
做存储的吗?好厉害呀。
当代和未来都是信息主宰的社会,信息的处理、传输和存储将要求空前的规模和速度。以半导体材料为支撑的大规模集成电路和高频率器件在信息处理和传输中扮演着重要的角色,在这些技术中它们都极大的利用了电子的电荷属性;而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储(如磁带、光盘、硬盘等)则是由磁性材料来完成的,它们极大地利用了电子的自旋属性。然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的,彼此之间相互独立。如果能同时利用电子的电荷和自旋属性,无疑将会给信息技术带来崭新的面貌,稀磁半导体(DilutedMagneticSemiconductors,以下简称:DMS)就可以实现上述功能,并且由此产生了一门新兴学科,即自旋电子学(Spintronics)。
常见的半导体材料都不具有磁性,如:Si、Ge、GaAs、InP、ZnO、GaN、SiC等,具有磁性的材料如:Fe、Co、Ni等及其化合物不具有半导体的性质,而且它们与半导体材料的表面势垒不能很好地相容。半导体可以通过少量n型或者p型掺杂改变其特性,因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法,在GaAs、GaN、InP、ZnO等化合物半导体中掺杂引入过渡金属(或稀土金属)等磁性离子,由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用(sp-dexchange)以及过渡金属离子之间的自旋交换作用(d-dexchange)可导致这类材料的磁性。这种通过部分取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有一定的区别,人们称其为“稀磁”。一般地讲,在化合物半导体中,由磁性离子部分地代替非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料,称之为“稀磁半导体”,它具有很多独特的性质和广泛的应用。DMS材料同时利用电子的电荷属性和自旋属性,具有优异的磁、磁光、磁电性能,使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景,已成为材料领域中新的研究热点。
稀磁半导体材料可广泛应用于未来的自旋电子器件,人们已经提出了几种自旋电子器件的结构,如自旋阀(SpinValve)、自旋场效应晶体管(Spin-FET)、自旋发光二极管(Spin-LED)等。与传统的半导体器件相比,自旋电子器件具有以下优点:第一、速度快:半导体材料是基于大量的电子运动,它们的速度会受到能量分散的限制,而自旋电子器件是基于电子自旋方向的改变以及自旋之间的耦合,它可实现每秒变化10亿次的逻辑状态功能,所以自旋电子器件消耗更低的能量可以实现更快的速度;第二、体积小:半导体集成电路的特征尺寸是几十纳米,例如,著名的CPU生产厂商Intel公司已经能将单个芯片集成度提高到10亿,此时单个晶体管的尺寸仅为50个纳米左右,但随着芯片集成度的提高、晶体管尺寸的缩小会引发如电流泄漏,发热等一系列的问题。而自旋电子器件的特征尺寸为1纳米左右,由于耗能低,它的发热量微乎其微,这就意味着自旋电子器件的集成度更高、体积更小;第三、耗能低:改变电子的自旋状态所需的能量仅仅是推动电子运动所需能量的千分之一;最后,自旋电子器件还具有非易失性:当电源(磁场)关闭后,自旋状态不会变化,它的这种特性可以用在高密度非易失性存储领域,设想一下这样的场景:计算机即使在电源故障时也不会丢失数据,只需要按一下电源开关,就可以从上次关机的状态立即开始。很多科学家预言:稀磁半导体材料将会创造未来更加绚丽多彩的数字新生活。


他们发现一类新的具有“122”铁基超导体同结构的稀磁体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2,得到居里转变温度(Tc)高达180K以上的稀磁半导体


==180k,零下93摄氏度,这个不用液态氮,用制冷半导体都可达到了,基本上达到可实用的程度了,但家用普级还要努力

半导体制冷片作为特种冷源,在技术应用上具有以下的优点和特点: 1、 不需要任何制冷剂,可连续工作,没有污染源没有旋转部件,不会产生回转效应,没有滑动部件是一种固体片件,工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。 2、 半导体制冷片具有两种功能,既能制冷,又能加热,制冷效率一般不高,但制热效率很高,永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。 3、 半导体制冷片是电流换能型片件,通过输入电流的控制,可实现高精度的温度控制,再加上温度检测和控制手段,很容易实现遥控、程控、计算机控制,便于组成自动控制系统。 4、 半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟,制冷片就能达到最大温差。 5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电,半导体制冷片一般适用于中低温区发电。 6、 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小,但组合成电堆,用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话,功率就可以做的很大,因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。 7、 半导体制冷片的温差范围,从正温90℃到负温度130℃都可以实现

他们发现一类新的具有“122”铁基超导体同结构的稀磁体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2,得到居里转变温度(Tc)高达180K以上的稀磁半导体


==180k,零下93摄氏度,这个不用液态氮,用制冷半导体都可达到了,基本上达到可实用的程度了,但家用普级还要努力

半导体制冷片作为特种冷源,在技术应用上具有以下的优点和特点: 1、 不需要任何制冷剂,可连续工作,没有污染源没有旋转部件,不会产生回转效应,没有滑动部件是一种固体片件,工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。 2、 半导体制冷片具有两种功能,既能制冷,又能加热,制冷效率一般不高,但制热效率很高,永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。 3、 半导体制冷片是电流换能型片件,通过输入电流的控制,可实现高精度的温度控制,再加上温度检测和控制手段,很容易实现遥控、程控、计算机控制,便于组成自动控制系统。 4、 半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟,制冷片就能达到最大温差。 5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电,半导体制冷片一般适用于中低温区发电。 6、 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小,但组合成电堆,用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话,功率就可以做的很大,因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。 7、 半导体制冷片的温差范围,从正温90℃到负温度130℃都可以实现
这个不错啊,就是要抓紧实用化啊