高居里温度自旋量子结构与器件-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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高居里温度自旋量子结构与器件

项目名称：高居里温度自旋量子结构与器件
项目类别：重大项目
批准号：60990312
申请代码：F0502
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2010-01-01-2013-12-31

项目负责人：顾书林
负责人职称：教授
依托单位：南京大学
批准年度：2009

中文摘要：

高居里温度宽禁带稀磁半导体的磁性调控及量子功能器件是当前自旋电子学的重要研究方向，具有重要的科学价值和技术应用前景。课题将利用MOCVD等技术制备高质量的均匀单相ZnMnO、GaMnN等稀磁半导体材料，研究掌握以GaN、ZnO等为基体材料的高居里温度稀磁半导体材料的稳定获得方法；结合晶体结构、光学、电学和磁学等多种测试手段研究材料的生长机制、发光机制、自旋极化载流子和铁磁产生机制。开展相关功能量子结构中自旋的调控及注入的研究，研究自旋与宽禁带半导体其它光电性质间的相互作用，特别研究二维空穴（电子）气中量子限域效应、自旋轨道耦合与载流子自旋效应间的关联性质；研究电荷极化和自旋极化材料及其微纳结构中的互控规律及其相关的光电（磁电）过程。探索研究自旋量子功能器件，研制出具有圆偏振极化光输出的自旋LED器件。研究成果对研究开发相关量子功能器件、促进自旋电子学的发展具有重要的指导意义和实用价值。

中文主题词：宽禁带半导体；稀磁半导体；四氧化三铁；金属有机源化学气相淀积；自旋注入

英文摘要：

Wide bandgap semiconductor；diluted magnetic semiconductor；Fe3O4；MOCVD；Spin injection

英文主题词： Wide bandgap semiconductor；diluted magnetic semiconductor；Fe3O4；MOCVD；Spin injection

结论摘要：

具有近100%自旋极化的单自旋金属(half-metal)物质和具有铁磁性的稀磁半导体(DMS)是最具有前景的实现自旋功能量子器件的两类自旋注入材料。课题组针对以上两种材料体系开展了积极有效的研究采用MOCVD 等技术制备了ZnO、GaN 基体薄膜材料以及磁性元素掺杂的薄膜材料，实现以GaN、ZnO 等为基体材料的室温稀磁半导体材料，但与国际上的最新研究结果相一致，课题组深入的机理研究显示其磁性来源于薄膜中的本征缺陷，而并非来自于本征的载流子对磁性离子的调控；高质量宽禁带半导体GaN、ZnO薄膜的磁性掺杂的理论与实验研究进一步显示，GaN中的铁磁性起源来自于Ga空位，而ZnO中观察到的p型掺杂和铁磁性与薄膜中存在或产生的本征缺陷和杂质紧密相关，而在高质量的GaN或ZnO薄膜中的磁性原位掺杂或离子注入掺杂导致较弱的铁磁性甚至顺磁性，并且没有观察到明显的载流子对磁性的调制效应。为探索实现高质量ZnO中p型掺杂的新思路，课题组开展了具有较大的表体比ZnO低维结构-微纳米柱的生长与掺杂研究，在高质量ZnO薄膜和ZnO单晶衬底上制备出垂直于衬底生长，分布均匀，高度一致的ZnO微纳米柱，并实现了ZnO微纳米柱/外延薄膜的同质结发光器件，实现有效的电致发光，进一步的分析研究显示该微纳米柱中高效N掺杂形成的受主与本征施主之间的互补偿行为导致微纳米柱实际呈高阻或半绝缘特性，这也进一步证明ZnO中实现p型掺杂的困难；制备出高质量ZnO基低维异质结构，获得具有高迁移率的二维电子气，首次观察到与二维电子气相关的光致发光现象，并在MOCVD制备的ZnO/ZnMgO异质结构中首次观察到量子霍尔效应。另一方面，采用MOCVD制备技术在高质量GaN和ZnO薄膜上生长出具有较高质量的单相Fe3O4磁性薄膜，研究了该磁性薄膜与宽禁带半导体之间形成的FM/NM异质结构的性质；开展相关功能量子结构中自旋的调控及注入的研究，研究了自旋与宽禁带半导体其它光电性质间的相互作用，特别研究二维空穴（电子）气中量子限域效应、自旋轨道耦合与载流子自旋效应间的关联性质；研究了电荷极化和自旋极化材料及其微纳结构中的互控规律及其相关的光电（磁电）过程；采用具有高质量单相Fe3O4磁性薄膜为自旋注入层，研制了GaN基pin 自旋注入LED原型器件结构和ZnO基微纳米柱阵列MIS自旋注入发光原型器件。

成果综合统计