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禁虫 (文学泰斗)

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[交流] 稀磁半导体材料

稀磁半导体材料

当代和未来都是信息主宰的社会，信息的处理、传输和存储将要求空前的规模和速度。以半导体材料为支撑的大规模集成电路和高频率器件在信息处理和传输中扮演着重要的角色，在这些技术中它们都极大的利用了电子的电荷属性；而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储（如磁带、光盘、硬盘等）则是由磁性材料来完成的，它们极大地利用了电子的自旋属性。然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的，彼此之间相互独立。如果能同时利用电子的电荷和自旋属性，无疑将会给信息技术带来崭新的面貌，稀磁半导体（DilutedMagneticSemiconductors，以下简称：DMS）就可以实现上述功能，并且由此产生了一门新兴学科，即自旋电子学（Spintronics）。

常见的半导体材料都不具有磁性，如：Si、Ge、GaAs、InP、ZnO、GaN、SiC等，具有磁性的材料如：Fe、Co、Ni等及其化合物不具有半导体的性质，而且它们与半导体材料的表面势垒不能很好地相容。半导体可以通过少量n型或者p型掺杂改变其特性，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，在GaAs、GaN、InP、ZnO等化合物半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用（sp-dexchange）以及过渡金属离子之间的自旋交换作用（d-dexchange）可导致这类材料的磁性。这种通过部分取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，人们称其为“稀磁”。一般地讲，在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料，称之为“稀磁半导体”，它具有很多独特的性质和广泛的应用。DMS材料同时利用电子的电荷属性和自旋属性，具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中新的研究热点。

稀磁半导体材料可广泛应用于未来的自旋电子器件，人们已经提出了几种自旋电子器件的结构，如自旋阀（SpinValve）、自旋场效应晶体管（Spin-FET）、自旋发光二极管（Spin-LED）等。与传统的半导体器件相比，自旋电子器件具有以下优点：第一、速度快：半导体材料是基于大量的电子运动，它们的速度会受到能量分散的限制，而自旋电子器件是基于电子自旋方向的改变以及自旋之间的耦合，它可实现每秒变化10亿次的逻辑状态功能，所以自旋电子器件消耗更低的能量可以实现更快的速度；第二、体积小：半导体集成电路的特征尺寸是几十纳米，例如，著名的CPU生产厂商Intel公司已经能将单个芯片集成度提高到10亿，此时单个晶体管的尺寸仅为50个纳米左右，但随着芯片集成度的提高、晶体管尺寸的缩小会引发如电流泄漏，发热等一系列的问题。而自旋电子器件的特征尺寸为1纳米左右，由于耗能低，它的发热量微乎其微，这就意味着自旋电子器件的集成度更高、体积更小；第三、耗能低：改变电子的自旋状态所需的能量仅仅是推动电子运动所需能量的千分之一；最后，自旋电子器件还具有非易失性：当电源（磁场）关闭后，自旋状态不会变化，它的这种特性可以用在高密度非易失性存储领域，设想一下这样的场景：计算机即使在电源故障时也不会丢失数据，只需要按一下电源开关，就可以从上次关机的状态立即开始。很多科学家预言：稀磁半导体材料将会创造未来更加绚丽多彩的数字新生活。

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