氧化物磁性半导体外延薄膜磁性的电场调控

Oxide magnetic semiconductor (OMS), possessing both spin and charge degrees of freedom, is one of the most important materials for spintronics application. A lot of experimental and theoretical studies showed charge carriers and oxygen vacancies play important roles in determining the magnetic properties of the OMS. By applying electric fields, it is possible to realize electrical control of magnetism as a result of the carrier or oxygen vacancy mediated exchange interaction. Electric-field manipulation of ferromagnetism has the potential for developing a new generation of spintronic devices .In this project we plan to conduct a systematical study about the effect of charge carrier and oxygen vacancy densities on the magnetic properties of the OMS and try to reveal the possible origin of ferromagnetism in OMS. Following works will be conducted in this project: 1). Based on our previous work, we will optimize the growth process and get high quality In2O3, TiO2, NiO based OMS epitaxial film with controllable oxygen vacancies density. 2). We will study the electric field modification of the magnetic and transport properties of OMS and try to find the relation between the electric field modification and OMS's carrier type and dielectric constant. 3). We will study the field-induced oxygen ion migration in OMS and its effect on the magnetic and transport properties of OMS. Based on the above research, we will search for the underlying principle of the electric field modification and realize a strong electric field modification of OMS's magnetic property at room temperature.

实验和理论研究表明氧化物磁性半导体中的载流子及氧空位浓度对其磁性能有重要的影响，如果能通过外电场改变材料中的载流子浓度和氧空位分布，对其中的磁交换作用进行控制，就可以实现对其磁性能的电场调控。这对于氧化物磁性半导体的磁性机理研究和新型自旋电子器件的研制都非常重要。本项目中我们计划开展如下研究工作：1）在前期工作的基础上，优化制备工艺，制备氧空位浓度可控的高质量In2O3，TiO2和NiO基磁性半导体外延薄膜；2）利用氧化物磁性半导体作为沟道层，制备成场效应管结构，研究电场诱导的载流子对材料磁性能，输运性能的调控规律，研究磁性半导体薄膜导电类型，介电常数等对电场调控效应的影响规律；3）研究电场作用下磁性半导体内氧离子迁移规律及其对材料磁性能，输运性能的影响规律。通过上述研究，探索得到外电场对氧化物磁性半导体磁性的调控机理，并最终实现室温下电场对氧化物磁性半导体磁性的有效调控。

氧化物磁性半导体具有优异的磁学，电学和光学性质，在自旋电子器件中有着重要的应用前景。虽然对这类材料已有大量的实验和理论研究，但氧化物磁性半导体中载流子浓度以及氧空穴分布对其磁性耦合作用的影响机理还没有统一的认识。这不利于氧化物磁性半导体性能的优化和新型自旋电子器件的研制。如何利用电场调控氧化物磁性材料的磁性，是目前氧化物磁性材料研究领域的另一个挑战。如果实现材料磁性的电调控，可以降低自旋电子器件运行能耗，有可能导致全新功能器件的诞生。针对上述问题，在本国家自然科学基金的资助下，我们主要开展了如下研究工作：.1. 研究了氧空位对Fe掺杂氧化钛外延薄膜磁学及电学性能的影响规律，实验结果表明：氧空位对于氧化钛磁性半导体的电学和磁学性能有重要影响，随着氧空位增加，电阻率降低，磁性增强。研究了Nb、Fe共掺杂氧化钛外延薄膜的磁学及电学性能，预期Nb元素掺杂会增加自由载流子浓度，提高材料磁性能。实验结果和预期相反，Nb元素的掺杂导致薄膜电阻率增加，磁性减弱。我们采用电子钉扎缺陷-偶极子模型对这一反常现象进行了解释。.2.对铁掺杂氧化铟磁性半导体薄膜进行了制备研究。通过优化制备条件，获得了Fe3O4镶嵌的氧化铟外延膜，这种纳米镶嵌薄膜具有良好的磁、光、电性质，有望在将来的自旋电子器件中得到应用。研究了Sn，Fe共掺的氧化铟磁性半导体外延薄膜，结果表明锡掺杂会明显影响薄膜的生长机理，掺杂锡后薄膜变得连续平滑，这对器件应用非常重要。另外随锡含量增加，薄膜带隙增加，电阻急剧降低。但是薄膜磁性和载流子浓度之间没有明显内在联系。.3.实现了氧化物磁性材料磁性的可逆调控。我们制备了磁性锂电池结构，分别采用液态电解液和固态电解质，通过锂离子的嵌入/脱出，实现了Fe3O4磁矩的可逆调控。这为材料磁性的电场调控提供了有价值的参考。.通过本项目的实施，我们对于氧化物磁性材料中的磁性耦合以及磁性调控机理有了深刻的认识，为我们今后在自旋电子学材料方面的研究奠定了坚实的基础。