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[交流] 美国科学家发现高温绝缘材料中的铁磁性

美国科学家发现高温绝缘材料中的铁磁性
现在的微电子学和磁性数据存储元件的发展在技术上受到元件结构尺寸的很大限制。在接近纳米尺度时或者材料设计参数超过最佳值时，要想使元件更小型化将遇到非常严峻的挑战。舆论认为，现在电子学元件小型化的发展速度不可能继续保持下去，需要新的方法才能使电子学制造继续发展。最近出现了一种基于多功能材料中电子的电荷和自旋性质的新方法，称为“自旋电子学”。

自旋电子学可能用于制造能同时储存极大量信息的元件。研制自旋电子学元件中最关键的一步是注入并探测铁磁体-半导体界面的自旋极化载体。虽然现在已经取得了很多的成绩，但是怎样有效的把自旋注入到非磁性半导体中仍然是自旋电子学领域需要跨越的最大障碍。

铁磁性金属（铁、钴等）在传统的工艺中被用来把自旋极化载体注入半导体输运媒介中去，但是它们注入自旋极化载体的效率太低了，在大多数应用中不足以发挥作用。最近，有人利用非极化载体通过铁磁性绝缘体的性质得到了比以前高得多的自旋极化载体注入，这个过程就像是自旋过滤器一样。但是不幸的是，由于缺乏合适的室温铁磁性绝缘体，自旋电子学还不能制造太多的这种元件。

美国犹他大学纳米结构材料研究实验室（NMRL）的由Ashutosh Tiwari领导的多学科研究小组近日通过掺入少量的钴，成功地在大电阻绝缘膜中诱导出高温铁磁性来。这项研究发表在4月6日的《Applied Physical Letters》杂志上。

科学家们已经利用脉冲激光辅助沉积技术，在LaAlO3基底上沉积的单晶Ce1-xCoxO2-δ膜中观察到高温铁磁性。在可见波段，这种膜是透明的，有很高的居里温度和很大的磁矩。在Ce1-xCoxO2-δ中掺入3%的钴就能在高达875开尔文的温度下仍然保持有铁磁性。这种膜在5开尔文时每个钴原子的磁性为6.1 μB，这个磁性可以非常稳定的保持到500开尔文。温度超过500开尔文之后，磁性逐渐增大，一直到725开尔文时达到最大的每个钴原子8.2μB。温度高于725开尔文后，磁性单调减小，居里温度大约为875开尔文。研究人员们说，这是在任何氧化物系统中观察到的最大的钴的磁矩。高分辨率电子发射显微镜的观察显示，这些膜只有一个相，而没有任何的混合，所以可以带有如此大的铁磁性。

通过对这些磁性数据的详细的定量分析，研究人员们发现，在这些膜中，钴离子以非常高的自旋态形式存在，它们带有轨道磁矩。研究人员们进一步研究还发现，除了钴离子外，CeO2对磁性的贡献也很显著。F中心媒介交换机制可能可以解释这种系统中磁性质的来源。

在绝缘膜中发现高温铁磁性，为研制可以实际应用的自旋电子学元件中的自旋过滤器做好了准备。另外，因为CeO2面心立方萤石晶体结构，与硅晶体中的晶格参数非常接近，所以可以利用现有的硅微电子技术，用CeO2晶体来简化下一代自旋电子学元件。

在具有大磁矩、高转变温度的高沉积温度绝缘材料中发现高温铁磁性的现象是一项重要的科学发现，它代表着自旋电子学发展中的一项重要突破。

译自：physorg.com网站 2006年4月11日
来源：教育部科技发展中心 http://www.cutech.edu.cn/ShowArticle.asp?ArticleID=14604

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