铁磁性半导体（Ga,Mn)As的临界现象研究

(Ga,Mn)As是研究稀磁半导体的模型材料之一。目前被普遍接受的理论模型认为，其铁磁性来源于材料中的空穴所调制的局域磁性离子间的交换作用。然而，研究者们对于其中起关键作用的空穴的存在状态尚有争议: 空穴是以自由状态存在于半导体价带中，还是以局域束缚态存在于杂质能级中? 此问题既是基本的物理问题，也对与磁体中载流子相关的器件应用有重要意义。而现有的磁、电、光等实验数据无法给出确切答案。有鉴于此，本项目旨在通过研究(Ga,Mn)As相变现象，即测量其在临界温度邻域的比热容、磁化强度随外加磁场的变化和电导率随温度的变化等，获得临界指数的数值，由此判定磁体中交换作用的类别与性质，从而判断出与交换作用密切相关的空穴的存在状态, 进一步完善现有的磁性理论。同时， 此项目也可揭示隐藏在(Ga,Mn)As丰富独特的临界现象背后可能存在的物理规律。此项研究对于基本磁性理论与磁性半导体器件应用都有重要价值。

磁性半导体GaMnAs体系研究目前最大的瓶颈是临界温度低于室温，本项目旨在通过研究其临界现象，探索提高居里温度的可能新机制。我们采用实验和理论计算并行的研究路线，对磁性半导体的结构、磁性、电学特性等进行了系统研究。主要研究内容与重要结果包括：（1）我们表征了分子束外延生长法制备的GaMnAs的晶体结构，测量其居里温度与饱和磁化强度，测量其电导率对温度的依赖关系，并利用电子束（1.7 MeV)对磁性半导体样品进行辐照，发现辐照后其居里温度与磁电特性均得到改善；我们进一步采用次级离子质谱对辐照前后样品进行分析，确认了电子辐照的均匀退火效应对磁性半导体临界性质的有效作用机制。（2）通过对GaMnAs团簇的形成过程的仔细研究，发现在Mn浓度较高时MnAs易于形成团簇，揭示了GaMnAs生长过程中当Mn浓度较高时易于生成第二相的原因，同时也意味着通过大幅提高Mn的掺杂量提高GaMnAs居里温度是不可行的。（3）研究了Mn-GaAs二维平面薄膜的磁电特性，发现其临界居里温度并不优于三维体系，原因在于虽然二维体系的磁交换作用更强但磁交换少了一个维度；并进一步拓展开来，研究了过渡金属吸附于GaAs二维平面薄膜对其磁性的影响，（4）研究了应力对GaMnAs一维纳米线的居里温度的影响，发现应力可小幅度调控磁稳定性，并进一步构造了基于GaMnAs纳米线器件且发现其可做整流阀与巨磁阻器件（5）进一步将工作拓展到其他磁性半导体体系，如Silicene:Co， CNT包裹的磁性纳米线等，对其结构、磁性的演变与临界现象进行了探索。简而言之，我们的工作，揭示了电子辐照的均匀退火效应对磁性半导体的有效改善作用及其机制，指出提升Mn的掺杂浓度的路径不可行，缩减GaMnAs的维度到二维和一维也不是有效办法。 我们的结果，对于今后磁性半导体体系的临界现象研究是有益的参考和指导。