自旋零禁带半导体的能带结构与高温铁磁性研究

As a new class of spintronic materials after the development of the half-metal and the diluted magnetic semiconductor, spin gapless semiconductors possess high spin polarization and long spin relaxation length theoretically and present excellent transport performance experimentally. However, the underlying mechanisms of their physical properties remain unclear and the existing temperatures for the ferromagnetism and good transport properties are far below the room temperature up to now. During our preliminary study, high-temperature ferromagnetism and some other special magnetic and electric properties were found within the Co-doped PbPdO2 nanograin film, which proved the existence of the spin gapless band structure indirectly and suggested the possible influencing factors. On such a good basis, we propose to go on with the study on the spin gapless semiconductor in this project. The influences of the film microstructures, such as the grain size and the defect, and the ion doping level on the band structure and the magnetism of the Co-doped PbPdO2 film will be studied thoroughly. Then the origin of the magnetism and the magnetic coupling mechanism will be concluded and the corresponding physical models will be constructed accordingly. Under the guidance of these models, the semiconductor films, possessing the spin gapless band structure and pure high-temperature ferromagnetism simultaneously, will be prepeared finally. The outcomes of this project will enrich the basic theory of the spin gapless semiconductor. And the direct evidence for the existence of the spin gapless band structure and the great improvement on the ferromagnetic Curie temperature will be obtained at the end of this project. All these achievements are believed to be useful for the subsequent research of the new-generation spintronic materials.

自旋零禁带半导体作为继半金属和稀磁半导体之后的新型自旋电子材料，理论上兼具高自旋极化率与大自旋弛豫长度，实验中发现具有优异输运性质，但目前问题在于与物性相关的各种物理机制均不清楚，且铁磁性与优异输运性质的存在温度远低于室温。本项目前期研究在Co掺杂PbPdO2纳米颗粒膜中发现了高温铁磁性与其它多种新颖磁、电特性，间接验证了自旋零禁带能带结构的存在，并初步确定了可能的影响因素。在此基础上，项目拟利用各种磁性测量手段，结合能带结构分析，深入研究晶粒尺寸、缺陷等薄膜微结构与离子掺杂量对Co掺杂PbPdO2薄膜能带结构与磁性的影响规律，总结磁性来源与磁耦合机制，建立相关物理模型，并以此指导合成兼具自旋零禁带能带结构与单一高温铁磁性的半导体薄膜。项目的实施将充实自旋零禁带半导体的基础理论，在实验上直接验证自旋零禁带能带结构的存在，并大幅提高铁磁性居里温度，从而为新一代自旋电子材料的开发提供有益参考。

自旋零禁带半导体是继半金属和稀磁半导体之后的一种新型自旋电子材料，理论上兼具高自旋极化率和大自旋弛豫长度，实验中发现具有大电致电阻效应和巨磁电阻效应，但与物性相关的各种物理机制均不清楚，引起了研究人员的广泛兴趣。理论预测自旋零禁带结构可通过在零禁带半导体或者宽禁带半导体中引入磁性杂质来实现。过去8年，研究人员尝试通过在零禁带半导体氧化物PbPdO2中掺杂过渡族元素来实现自旋零禁带特性和室温铁磁性。但并未成功，实验上仅在多个过渡离子掺杂的PbPdO2材料中获得了2K低温铁磁性。而本项目组在前期研究中通过将Co掺杂PbPdO2材料制成纳米颗粒膜结构，成功获得了与自旋零禁带特性相关的高温铁磁性，间接验证了自旋零禁带结构的存在，并初步确定了可能的影响因素。在本项目中，我们首先利用同步辐射X射线吸收谱为PbPdO2材料的零禁带能带结构提供了直接的实验证据，然后系统研究了未掺杂和掺杂Co、Fe、Ni、Mn、Cu等过渡族离子的PbPdO2纳米颗粒膜体系，分析了离子掺杂浓度、薄膜颗粒尺寸、薄膜厚度、煅烧温度、煅烧时间以及Pb空位等因素对薄膜离子价态、磁性以及部分输运性质的影响，在Co离子掺杂PbPdO2纳米颗粒膜中成功获得了与自旋零禁带结构相关的高温铁磁性和线性正磁阻效应，确定磁性掺杂离子和Pb空位引起金属离子价态的升高是薄膜磁性的来源，发现与低薄膜厚度和小颗粒尺寸相关的小晶粒尺寸有助于实现高温铁磁性，且铁磁性的磁耦合机制可用束缚磁极子BMP模型解释。此外，项目确定掺杂离子引入的杂质能级对载流子的散射以及导致导带底态密度的升高共同决定了材料的导电特性，确定薄膜的纳米微结构与掺杂离子所决定的能带结构的变化是输运性质的决定因素。项目还在实验上验证了向能隙较大的II-VI族半导体ZnTe和ZnO中分别引入Mn离子和Sb离子无法实现理论预测的自旋零禁带结构，但可分别获得室温以上的铁磁性和稳定的P型电性。本项目研究成果可为具有高温铁磁性的新一代自旋电子材料的开发提供有益参考。