ZnO/ZnMgO异质结二维自旋量子特性

作为新一代光电材料，ZnO因其具有诸多潜在的优点而受到广泛关注。ZnO体材料的Rashba 自旋-轨道耦合系数理论预见值远低于窄禁带半导体，并且由于材料生长技术的限制，高质量的ZnO/ZnMgO异质结样品的制备技术最近才有了突破进展。因此，此材料体系在实验自旋电子学方面的研究还少有报道。最近，我们在ZnO/ZnMgO异质结样品中发现了反弱局域效应，表明具有强的自旋-轨道偶合。本项目将采用磁输运方法，对ZnO/ZnMgO异质结二维受限结构中的自旋输运与调控特性进行深入的研究。主要包括以下几方面内容：制备出高迁移率的ZnO/ZnMgO异质结二维受限结构和量子霍尔器件。确定ZnO/ZnMgO低维量子受限结构的电子浓度、迁移率和有效g*因子、自旋劈裂能，深化对其中自旋-轨道相互作用的机制认识，为构造ZnO基的自旋电子学器件提供物理基础。

电子自旋是电子除电荷之外的另一个内禀自由度。其发现不仅仅加深了人类对物质特性的进一步的认识，也为日渐趋近摩尔定律极限的微电子产业的进一步发展提供了的新的理念与途径。ZnO和GaN系宽禁带半导体作为新一代的短波长光电材料受到人们的广泛关注。但由于它们的电子自旋-轨道耦合系数远低于窄禁带半导体材料(理论预见值ZnO是0.11×10^12eVm),实验研究结果却鲜有被报道。本项目采用磁输运方法，对ZnO/ZnMgO和AlGaN/GaN异质结二维受限结构中的自旋输运与调控特性进行了深入的研究。发现了ZnO/ZnMgO薄膜具有长的电子退相干时间和磁阻的各向异性，并观测到随电流方向的变化磁阻变化比例也会变化，显示了比较明显的电子自旋-轨道耦合效应。对AlGaN/GaN异质结材料首次研究了电子自旋-轨道耦合与Zeeman效应的相互竞争关系，为实现磁场对电子自旋-轨道耦合的调控提供了实验依据。在本项目的资助下，同时开展了窄禁带半导体HgCdTe和HgTe的实验研究，取得了HgCdTe表面反型层中的有效g因子、HgTe表面反型层的自旋磁化系数等研究结果，为自旋电子学添加了一些新的内容和为MgZnO/ZnO异质结材料的研究提供了参考与经验。目前，已发表标注资助的SCI论文11篇其中通信作者论文10篇，申请并授权中国发明专利15项。共培养博士研究生7名，其中6名已毕业，另外3名在读。研究成果将有助于推动和促进半导体自旋电子学的发展和实现下一代量子调控的计算机具有重要科学意义。