半导体量子异质结构的反物质探测及其在氧化物半导体杂质动力学研究中的应用

本项目将发展一种新颖的方法利用反物质（正电子)来探测半导体量子异质结构，并利用这一新方法来研究氧化物半导体中的掺杂元素相稳定性及杂质量子异质结构的形成、生长等动力学问题。拟开展的研究将解决数个关键的理论方法和实验技术问题，这包括：1）实现量子异质结构的快速第一性原理模拟计算；2）通过理论与实验相结合，实现用正电子湮灭的动量密度分布各向异性、高动量密度的元素指纹谱、动量模糊的量子尺寸效应等来表征量子异质结构的晶体结构、化学组分、尺寸等重要的微观特性；3)发展同时、原位的物性测量和微结构表征技术。这些研究将建立一个高度敏感(1ppm)的反物质探测技术来表征亚纳米尺寸的半导体量子异质结构，并为研究许多常规手段难以奏效的半导体材料科学问题提供新工具。在本项目中，这一方法将用来研究稀磁SnO2和ZnO半导体中的磁性元素的相分离问题，以澄清这些重要的自旋电子材料中对磁性有决定性作用的微结构本质。

半导体量子异质结构在半导体科学和技术、信息科学、自旋电子学等多方面具有极为广阔的应用前景。因此，深入研究半导体低维量子异质结构并实现对其微观结构、物理性质进行有效的人工调控是半导体材料、器件设计的关键。正电子是电子的反物质，正电子湮灭技术是固体微结构研究的有力手段。在本项目中，通过发展正电子湮灭谱的理论方法和实验技术，我们证明正电子湮灭谱能探测到材料中小到0.5nm的杂质团异质结构。同时，正电子湮灭技术的探测灵敏度很高，约1ppm，能探测到目前最灵敏的三维原子探针尚未探测到的亚纳米异质结构。利用正电子湮灭技技术，并结合理论计算和其他多种实验表征手段，我们研究了SnO2、ZnO、AlCuO2等稀磁氧化物半导体材料的磁性与微结构的关系。我们发现所测量到的磁性与材料晶粒的表面/界面态有直接的关联。理论计算证明，这些其铁磁性主要来源于表面/界面上的阴离子2配位悬键及其强的Hubbard关联相互作用。. 我们还利用氧化物半导体二维异质结构设计了一种相变触发的半导体巨磁阻原型器件。半导体巨磁阻效应是自旋电子学长期以来未能解决的重要问题。人们发现在半导体多层膜中只能获得铁磁性耦合，难以实现层间的自旋耦合切换。通过理论计算，我们发现半导体多层膜之间的铁磁性耦合起源于有能隙系统中自旋的非完全屏蔽，因此是一种与能隙相关的内禀属性。为了实现铁磁－反铁磁的可逆切换，我们设计了一个磁性掺杂的二氧化钛薄膜及二氧化钒中间层薄膜的二维异质结构。我们发现，二氧化钒层的相变可以触发自旋耦合的可逆切换。这些成果为制造基于半导体巨磁阻效应的自旋电子器件铺平了道路。