I-II-V族新型稀磁半导体研制及物性研究

We has succeeded in synthesizing a new type of ferromagnetic diluted magnetic semiconductor (DMS) Li(Zn,Mn)As, based on a I-II-V semiconductor. In this material, charge and spin can be doped independently and the Curie temperature is up to 50K. In this project we plan to conduct several further works: (a)Synthesizing a series of new type of diluted magnetic semiconductors similar to LiZnAs and meanwhile searching for n type ferromagnetic DMS; (b)Growth and measurement of the single cystal of the above materials, which is the most difficult part of the project; (c)Researching the evolution of magnetism of DMS along with different carrier concentration and spin concentraion, by making use of in-site high pressure technique, high magnetic field measurement, muion spin relaxtion measurement, neutrion diffraction technique and sythcrotron radiaction X-ray diffraction technique. Based on the above studies, we will discover the control mechanism of charge order & spin order of DMS and then investigate the origin of magnetism in the dilute magnetic semiconductor.

本项目申请人所在集体近期成功研制出基于I-II-V 族的新型稀磁半导体材料Li(Zn,Mn)As，实现了稀磁半导体中电荷和自旋的分别注入及调控，并且在体材料中得到了50K的铁磁转变温度。本项目计划在已有工作基础上，深入开展这个新材料体系的研制工作。研究重点为：探索LiZnAs类似系列的新型稀磁半导体材料，同时研制n型载流子诱导铁磁性的稀磁半导体；制备这些材料的单晶样品并进行物性研究（这是本项目的难点和重点）；利用在位高压、强磁场等极端条件下的物性表征手段，同时利用μSR、中子衍射、同步辐射等大科学装置来研究磁性质随载流子浓度和局域磁矩浓度的演化关系。最终目的是揭示稀磁半导体中电荷序与自旋序的物理效应并探索二者的调控机制，以理解稀磁半导体中铁磁性的起源。

稀磁半导体是突破摩尔定律瓶颈的理想材料之一，然而传统的以(Ga,Mn)As为代表的III-V族稀磁半导体中由于(Ga3+,Mn2+)的异价掺杂，存在只能做p型掺杂、材料只能以薄膜形式存在、Mn的含量难以提高等难以克服的问题。为了克服以上问题，项目负责人所在集体研制了基于I-II-V族的新型稀磁半导体Li(Zn,Mn)As，通过同价的(Zn2+,Mn2+)引入自旋，并通过改变Li的含量引入载流子，实现了电荷与自旋的分离，使得材料能以块材的形式存在，Mn的掺杂含量得到了显著提高，并且理论上可以通过Li的缺位或多余控制载流子类型。本项目在Li(Zn,Mn)As的基础上积极探索制备n型载流子稀磁半导体的途径；研制稀磁半导体单晶的生长工艺；并利用在位高压进行了极端条件下的物性研究。在本项目的资助下取得了丰富的研究成果：（1）设计并成功研制了多种电荷与自旋注入分离的新型稀磁半导体材料Li(Zn,Mn)P、Li(Zn,Co,Mn)As、(Ca,Na)(Zn,Mn)2As以及(Ba,K)F(Zn,Mn)As 等；（2）在(Ba,K)(Zn,Mn)2As2中获得了230K的居里温度，这是稀磁半导体材料中目前可控居里温度的最高记录；（3）生长了(Ba,K)(Zn,Mn)2As2系列单晶，利用单晶制作了Andreev反射结，测得了66%的自旋极化率的测量；（4）利用利用DAC进行原位高压及低温电学测量研究了材料的电输运性能，利用同步辐射X-射线磁圆二色（XMCD）技术对(Ba,K)(Zn,Mn)2As2高压在位表征，研究了材料的磁性随压力的演化。