非晶态FeCo基室温磁性半导体薄膜的形成机制及其性能研究

Emerging for future spintronics/electronics,magnetic semiconductors are featured by the exchange interaction between magnetism and electricity and enable a combination of logic functionalities and information storage capabilities. However,increasing their Curie temperatures above room temperature, particularly in those so called diluted magnetic semiconductors mainly based on III-V semiconductors doped with magnetic elements, remains challenging. In this study, we propose an alternative route to make magnetic semiconductors by introducing a semiconducting component to an intrinsically ferromagnetic FeCo-based alloy for realizing both semiconductivity and ferromagnetism. Based on the structure-properties relation, we could clarify the originality for the metal-semiconductor transition in this amorphous FeCo-based magnetic semiconductor. This proposal provides a new way for designing novel amorphous magnetic semiconductors with desirable functionalities that could extend their applications to a wide variety of electronics including wear resistant touchscreen for cellular phones, thin-film transistors, displays and compact disks.

磁性半导体兼具磁性和半导体特性，可以通过操控电子自旋，实现接近完全的电子极化，提供一种全新的导电方式和器件概念。目前主要采用在非磁性半导体中添加过渡族磁性金属使半导体获得内秉磁性的方法来制备磁性半导体，即稀磁半导体。但大部分稀磁半导体仅具有低温磁性，限制了该材料在室温可操控电子器件中的应用。本项目拟采用磁控溅射法，在具有室温磁性的FeCo基非晶态合金中原位引入诱发半导体性的氧元素等使磁性金属获得半导体特性，制备集磁、光、电于一体的新型非晶态室温磁性半导体，研究其磁学、光学、电学性能耦合后可能引发的新性能或新物理现象。通过认识非晶态FeCo基磁性半导体薄膜微观结构与其磁学、电学等物性之间的关系，揭示非晶态合金从金属性到半导体性的转变机理，阐明该磁性半导体薄膜的形成机制，为开发新型磁性半导体提供实验依据和理论基础，对促进非晶态合金薄膜材料在电子器件领域的应用具有重要的研究意义和实际价值。

信息技术对现代社会的发展影响至深，极大程度地方便了人们的生活和工作，而信息处理和存储是其关键的两个组成部分。目前计算机集成芯片主要通过半导体和磁体两种材料分别进行信息处理和存储。而磁性半导体作为一种新型自旋电子学材料有望同时实现逻辑运算、信息处理和存储，如果仅使用一种材料即可实现这些功能，那么将可以大幅度降低集成芯片的能耗，延伸摩尔定律，使得下一代量子计算机可能成为现实。《科学》杂志在2005年提出125个重要科学问题，其中之一 “有没有可能创造出室温能够工作的磁性半导体材料”就是专门针对这种新型自旋电子学材料。探索高居里温度磁性半导体，并基于此材料开发室温实用型自旋电子器件一直是自旋电子学领域的关键科学问题和研究目标。针对这一瓶颈，本项目负责人及其合作者通过在居里温度远高于室温的磁性金属玻璃中引入诱发半导体电性的元素使磁性金属转变为半导体，在保留原有高温内禀磁性的同时获得半导体特性，开发出居里温度高于600 K的新型CoFeTaBO磁性半导体。该磁性半导体为p型，带隙约为2.4eV，具有室温光致发光现象；并基于该p型磁性半导体与n型单晶硅集成实现了p-n异质结和p-n-p结构的制备。与此同时，对于载流子调制磁性的磁性半导体而言，其电学和磁学性能相互关联；而基于此新型磁性半导体制备的电控磁器件通过外加门电压调控其载流子浓度，实现了室温磁性的显著调控，进一步证实该p型磁性半导体的本征电磁耦合特性。基于本项目执行期间研发的一系列包括p型磁性半导体的新型非晶态材料及其原型器件的成果，截至目前已在Nature Communications、Nanoscale、Materials & design等著名国际期刊发表SCI论文11篇，申请相关发明专利4项，其中已获授权3项。基于P型磁性半导体研制的室温实用型自旋电子学器件有望使得我们的集成芯片体积变得更小，而器件功能更强大，具有重要的科学研究意义和应用价值。