Nature子刊：可愛的氧—通過氧化金屬玻璃獲得高居里溫度的磁性半導體

【引言】

磁性半導體（MSs）在新功能和設備概念設計等都有著很大的前景，因其可同時由電荷與自旋性質來進行有效調控，由此將在未來自旋電子和電子應用領域大展身手。目前，稀磁半導體（DMSs）吸引了研究者們的研究興趣，然而目前存在的挑戰主要是要獲得高于室溫的居里溫度的材料，使其能在室溫下使用，尤其是一些III–V型半導體。

現有制備稀磁半導體的方法主要是向傳統半導體中摻入磁性元素，典型例子是磁摻雜的GaAs系統，其有相對高的居里溫度，可達到200K。雖然，有報道了一些居里溫度高于室溫的DMSs體系，但磁性的分布為非均質，獲得的鐵磁性也較傳統鐵磁材料差。

【成果簡介】

清華大學陳娜教授（通訊作者）等人不同于往常向傳統半導體中摻入磁性元素制備DMSs的方法，通過氧化原有的鐵磁金屬/合金來形成新型磁性半導體。向鐵磁金屬玻璃（MG）中引入氧，發生氧化形成Co_28.6Fe_12.4Ta_4.3B_8.7O₄₆磁性半導體，居里溫度可達600K。并證實這種材料出現的p-n異質結以及電場控制室溫鐵磁性反映出p型半導體特性，載流子遷移率達0.1cm²V^-1s^-1。這項研究也將為實現具備不尋常的多功能高居里溫度半導體開辟新途徑。

【圖文導讀】

圖一、從鐵磁金屬玻璃中形成無定形金屬氧化物

(a) 薄膜沉積示意圖。

(b) 鐵磁體(FM)-非鐵磁體(NFM)體系氧化機制。

(c) 單相Co₄₄Fe₂₀Ta₁₀B₂₆O MG帶和單相Co_28.6Fe_12.4Ta_4.3B_8.7O₄₆無定形金屬氧化物的高倍TEM圖像。內嵌圖分別為MG帶和無定形金屬氧化物相應選區電子衍射圖。比例尺為5nm。

圖二、a-CFTBO薄膜的性質

(a) a-CFTBO和MG薄膜在25nm相同厚度下的光透射圖譜。左嵌圖為a-CFTBO薄膜投射譜的測試極板。右嵌圖為其室溫光致發光譜。

(b) 溫度-電阻率ρ₀圖（ρ₀為室溫電阻率）。內嵌圖為基于實驗數據獲得的ln(ρ₀)^-1/T^1/2圖。

(c) 不同溫度下的M-H曲線。

(d) 面內磁場H=100 Oe下的M-T圖。

圖三、p型a-CFTBO MS的磁傳輸特性

(a) 1mA下，霍爾電阻Rxy-磁場H圖，主要源于反常霍爾效應。

(b) 通過測量作用場平行或垂直于電流方向的電阻改變（MR//或MR_┴表示），得到各向異性磁電阻-磁場圖。

圖四、p型a-CFTBO MS的p-n型異質結的制備

(a) Au(10 nm)/p型a-CFTBO(300 nm)/n型Si(300m)/ Au(10 nm)的p-n型異質結結構的制備圖示。

(b) Au (10 nm)/p型a-CFTBO(300 nm)/n型Si (300 mm)/p型a-CFTBO (300 nm)/Au (10 nm)的p–n–p結構圖示。異質結使用的n型單晶Si大量摻雜了P，電阻在10^-3Ω cm數量級。

(c) p-n異質結的I-V曲線。內嵌圖為曲線所選矩形區的放大圖。

圖五、電場對a-CFTBO MS鐵磁性的控制

(a) 通過一滴離子液體在a-CFTBO薄膜施加柵電壓的實驗裝置圖。絕緣HfO₂層的厚度大約2nm。

(b) 在正柵極電壓下，電力誘導的載流子濃度的降低圖示。

(c) 在負柵極電壓下，電力誘導的載流子濃度的增加圖示。

(d) 300K下，不同柵極電壓下的M-H曲線。a-CFTBO薄膜厚度為50nm，左嵌圖為不同柵極電壓下，厚度為50nm的a-CFTBO薄膜的M/M_s(0)-H曲線，M_s(0)為不施加柵電極時的飽和磁場。右嵌圖為矩形選區的放大圖。

【小結】

對MGs而言，氧常為一有害的雜質元素，因其對玻璃的形成能力及機械性質均會帶來不利，這大多與晶體氧化沉積有關。但是，在此次研究中，氧卻充當了一個可愛的元素，是將MG導體轉型為無定形半導體的調劑。這一特性使材料能結合多功能特性，包括光、電、磁。同時，向鐵磁無定形金屬中引入如氧類的輕原子為高居里溫度的MSs的制備開辟新道路，這將有利于MS基自旋/電子設備早日實現室溫下運行。

文獻鏈接：A room-temperature magnetic semiconductor from a ferromagnetic metallic glass（Nat. Commun.，2016，DOI：10.1038/ncomms13497）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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