自旋和电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体

Diluted magnetic semiconductors (DMS) are promising for future applications. We recently discovered new type of diluted magnetic semiconductors of Li(Zn,Mn)As& Ba(Zn,Mn)2As2, in which local spin is introduced by isovalent (Zn,Mn) substitution while carrier by self doping by Li or heterovalent (Ba,K) substitution. Separation of charge from spin, in another word decoupling of charge and spin makes both n & p type DMS possible whereas only p type availble for the classical (Ga,Mn)As DMS. Moreover the highest Curie temperature of this system is up to 220K, camparable to (Ga,Mn)As. In this project we plan to conduct several further works on the new DMS: (a)Searching for new DMS with decoupled spin and charge doping showing higher Curie temperature; (b)Growing high quality single crystal & thin films of Li(Zn,Mn)As and Ba(Zn,Mn)2As2, futher fabricating multiple heterojunction structures among DMS, superconductor meganet, aiming at finding new effects of phenomena such as through Andreev reflection of DMS & superconductor; (c) Effects of pressure & magnetcic or electric parmeters on the new DMS to learn the the origination of the DMS. Based on the above studies, we expect to learn more about the mechanism of DMS and figure out efficient method to promote the application of DMS material and device based on DMS in future.

稀磁半导体具有成为新1代信息存储材料的前景，本项目申请人所在集体近期成功研制了自旋和电荷注入机制分离的新型稀磁半导体材料Li(Zn,Mn)As和Ba(Zn,Mn)2As2，在多晶材料得到了230K的和(Ga,Mn)As媲美的铁磁居里温度；在已有工作基础上，进一步推动研究深入，本项目的研究重点为：1）研制具有更高铁磁居里温度的新型稀磁半导体，系统表征研究这些材料磁电特性；2）生长相应单晶和薄膜样品，研究材料对压力、电场、磁场等外场响应，为进一步调控和优化材料的磁、电和极化特性提供指导；3）研制超导金属/稀磁半导体安德列夫结，研制基于稀磁半导体、超导体、磁性体相互组合的多种异质结，揭示可能的新效应。通过以上综合研究，本项目希望就新型稀磁半导体磁性起源有深入认识，进一步提高居里温度，为探索基于稀磁半导体作为信息存储物理载体的新效应和原型器件的研制进行技术储备。

稀磁半导体具有成为新1代信息存储材料的前景，根据项目研究任务，我们围绕自旋电荷掺杂分离的新型稀磁半导体，在材料、物性和原型器件3个方向顺利完成了以下的研究内容：(a)项目开展至今设计探索了多种具有自主知识产权的自旋电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体;(b)运用μSR、中子、同步辐射x射线磁圆二色谱等基于先进大科学装置，结合高压、低温、强磁场等综合极端条件，在拓宽的温度、压力、组分空间，表征了(Ba,K)(Zn,Mn)2As2（以下简称BZA）的局域晶体结构、精细磁结构、电子结构、微观磁相互作用。并通过运用化学压力，在常压条件有效增强了新型稀磁半导体的铁磁性。(b)利用自助熔剂发生长了高质量BZA单晶，并在单晶的基础上构建了基于BZA新型稀磁半导体的单晶安德烈夫反射结等原型器件，实现了较高自旋极化传导。(c)得到了单一取向，成分均匀的BZA薄膜，并在此基础上外延生长了铁基122的复合薄膜即BZA/Ba(Fe,Co)2As2异质结，为具有更多功能的同结构异质结的研制做好了技术准备。在本项目资助期间，发表SCI论文63篇，其中Nature Physics 2篇、Nature Communications 1篇、PNAS 3篇、Angew. Chem. 1篇、PRL 3篇、PRB等19篇。获得授权专利10项，国际会议邀请报告11个。靳常青领导研究团队荣获国家自然科学二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖各1项。研究骨干邓正获得北京市科技新星资助、入选中科院青年促进会会员。靳常青作为大会主席携手国内同行成功举办了第26届国际高压科学技术大会，2年1届的国际高压科学技术大会是高压领域最重要的学术盛会。协助中科院大学卡弗里理论科学研究所(KITS)举办了2届稀磁半导体国际研讨会(2018年11月、2020年1月)。靳常青当选国际晶体学联合会(IUCr)材料晶体学委员会主席，英国物理学会会士，担任国际科学理事会(ISC)中国委员会委员。我们圆满实现了项目目标。