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清华材料学院陈娜等在室温磁性半导体及器件研究中取得重要进展

日期:2016年12月14日

  清华新闻网12月14日电 近日,材料学院材料加工研究所非晶合金研究组陈娜副研究员和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(图1b和c)。该成果于12月8日在《自然通讯》(Nature communications)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”(A room-temperature magnetic semiconductor from a ferromagnetic metallic glass)。
 

  图1 (a)磁性半导体操控电荷和自旋示意图,(b)居里温度高于600K的p型磁性半导体,直接带隙约为2.4 eV,(c)基于该磁性半导体的室温电控磁器件表明其磁性为载流子调制。

  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,实现对信息的加工处理、存储乃至输运,提供了一种全新的导电方式和器件概念(图1a)。这种特性可用于开发新一代电子器件,如自旋场效应管和自旋发光二极管等,将会大幅度降低能耗、增加集成密度、提高数据运算速度,在未来电子行业具有非常诱人的应用前景。《科学》(science)杂志在2005年提出125个重要科学问题,其中“有没有可能创造出室温能够工作的磁性半导体材料”,就是专门针对这种新型自旋电子学材料。

  探索高居里温度磁性半导体,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研究目标。针对这一关键科学问题,陈娜及其合作者通过在居里温度远高于室温的磁性金属玻璃中引入诱发半导体电性的元素使磁性金属转变为半导体(图1b),并基于该p型磁性半导体与n型单晶硅集成实现了p-n异质结和p-n-p结构的制备,表明该新型磁性半导体可以和现有硅基半导体工业兼容。与此同时,对于载流子调制磁性的磁性半导体而言,其电学和磁学性能相互关联;而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,进一步证实该p型磁性半导体的本征电磁耦合特性(图1c)。

  该工作是陈娜指导材料学院硕士生刘文剑和张红霞共同完成,参与该工作的还有清华大学材料学院姚可夫教授和宋成副教授、日本东北大学的王中长副教授、香港科技大学的王向荣教授、中科院物理所的谷林教授等。论文的共同第一作者为硕士生刘文剑和张红霞,论文的通讯作者为陈娜。该研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金和教育部博士点基金的支持。

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