11年前，《科學(xué)》雜志曾提出125個(gè)重要科學(xué)問題,，其中之一是“有沒有可能創(chuàng)造出在室溫下能夠工作的磁性半導(dǎo)體材料”,。近日，清華大學(xué)材料學(xué)院材料加工研究所非晶合金研究組陳娜副研究員及其合作者通過誘導(dǎo)磁性金屬玻璃發(fā)生金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的方式,，開發(fā)出居里溫度高于600 K的p型磁性半導(dǎo)體,，并基于此磁性半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了室溫p-n結(jié)和電控磁器件的制備,。
研發(fā)室溫實(shí)用型磁性半導(dǎo)體的重要性在哪里呢？
首先,，磁性半導(dǎo)體兼具磁性和半導(dǎo)體特性,，可以滿足人們對電荷和自旋同時(shí)調(diào)控的期望，為信息的處理,、存儲和運(yùn)輸提供了一種全新的導(dǎo)電方式,。磁性半導(dǎo)體的運(yùn)用對于開發(fā)新一代電子器件（自旋場效應(yīng)管、自旋發(fā)光二極管等等）具有重要意義,，將會大幅度降低能耗,、增加集成密度、提高數(shù)據(jù)運(yùn)算速度,，在未來的電子行業(yè)具有非常誘人的應(yīng)用前景,。
其次，探索室溫實(shí)用型磁性半導(dǎo)體,，并基于此材料開發(fā)室溫實(shí)用型自旋電子器件一直是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題,。然而，到目前為止最為引人關(guān)注的稀磁半導(dǎo)體尤其是基于III-V族半導(dǎo)體的稀磁半導(dǎo)體材料居里溫度僅僅為200k,，無法滿足電子器件在室溫下工作的需求,。
針對這一瓶頸，陳娜及其合作者采用“逆向思維”,，通過氧化已有高居里溫度磁性金屬的方法制備新型磁性半導(dǎo)體,，在保留磁性金屬原有高溫內(nèi)稟磁性的同時(shí)使之獲得半導(dǎo)體特性，由此開發(fā)出了居里溫度高于600 K的新型Co28.6Fe12.4Ta4.3B8.7O46磁性半導(dǎo)體,。
該磁性半導(dǎo)體為p型,，帶隙約為2.4eV，具有室溫光致發(fā)光現(xiàn)象,。進(jìn)一步地,，通過該p型磁性半導(dǎo)體與n型單晶硅的集成，制備了p-n異質(zhì)結(jié)和p-n-p結(jié)構(gòu),，表明該新型磁性半導(dǎo)體可以和現(xiàn)有硅基半導(dǎo)體工業(yè)兼容,。除此之外，基于此新型磁性半導(dǎo)體制備的電控磁器件通過外加門電壓調(diào)控其載流子濃度,，實(shí)現(xiàn)了室溫磁性的顯著調(diào)控,。
陳娜說：“我們的發(fā)現(xiàn)為制備具有獨(dú)特功能特性的高居里溫度磁性半導(dǎo)體材料開辟了一條新的路徑。”該成果于2016年12月8日在《自然通訊》在線發(fā)表,，論文標(biāo)題為“源于鐵磁金屬玻璃的室溫磁性半導(dǎo)體”,。
