科学家利用技术突破实现实用的半导体自旋电子技术

据外媒报道，未来研究人员可能会在量子计算机中使用电子自旋处理信息的信息技术。长期以来，能够在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。目前， 来自瑞典、芬兰和日本的研究人员已经构建了一种半导体组件，在这种组件中，电子自旋和光之间可以有效地交换信息--在室温及更高温度下。

众所周知，电子具有负电荷，而且它们还有另一个特性，即自旋。后者可能会被证明在信息技术的发展中发挥着至关重要的作用。简单地说，我们可以想象电子绕着自己的“轴线”旋转，就像地球绕着自转轴旋转一样。自旋电子学--未来信息技术的一个有前途的候选者--利用电子的这种量子特性来存储、处理和传输信息。这带来了重要的好处，比如比传统的电子产品速度更快，能耗更低。

近几十年来自旋电子学的发展是以金属的使用为基础的，这些发展对于储存大量数据的可能性来说非常重要。然而，使用基于半导体的自旋电子学会有几个优势，就像半导体构成当今电子学和光子学的骨干一样。

"基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋态所代表的信息转换并转移到光上，反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。领导该项目的瑞典林雪平大学教授陈伟民说："它将使基于自旋的信息处理和存储与通过光的信息传输结合起来成为可能。"他说："光自旋电子学是一种基于自旋的电子学技术。

由于目前使用的电子器件都是在室温及以上的环境下工作，自旋电子学发展中的一个严重问题是，当温度升高时，电子的自旋方向往往会发生切换和随机化。这意味着电子自旋状态所编码的信息会丢失或变得模糊不清。因此，在室温和较高的温度下，我们能使基本上所有的电子都定向到相同的自旋状态，并保持这种状态，换句话说，它们是自旋极化的，这是发展基于半导体的自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下，电子自旋极化最高只有60%左右，无法实现大规模的实际应用。

目前林雪平大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员已经实现了室温下电子自旋极化大于90%。即使在110 的高温下，自旋极化仍保持在较高的水平。这一技术进步在《自然光子学》上有所描述，它是基于研究人员用不同的半导体材料层构建的一种光自旋纳米结构。它包含称为量子点的纳米级区域。每个量子点约是人类头发的厚度的万分之一。

当自旋偏振的电子撞击在量子点上时，它就会发射光--更准确地说，它发射的是单光子，其状态（角动量）由电子自旋决定。因此，量子点被认为具有巨大的潜力，可以作为电子自旋和光之间传递信息的接口，这将是自旋电子学、光子学和量子计算所必需的。在最新发表的研究中，科学家们表明，可以利用相邻的自旋滤波器远程控制量子点的电子自旋，而且是在室温下。

量子点由砷化铟制成，一层砷化镓氮起到自旋过滤器的作用。它们之间夹着一层砷化镓。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中，研究人员认为，这可以使自旋电子学更容易与现有的电子和光子元件集成。

“我们非常高兴的是，我们长期努力提高制造高度控制的含N半导体所需的专业知识，正在界定自旋电子学的新领域。到目前为止，我们在将这种材料用于光电子器件时取得了良好的成功，最近一次是在高效太阳能电池和激光二极管方面。现在，我们期待着继续这项工作，将光子学和自旋电子学结合起来，利用一个共同的平台来实现基于光和基于自旋的量子技术，”芬兰坦佩雷大学研究团队负责人Mircea Guina教授说。

什么是自旋电子学？

自旋电子学是一种利用电子的电荷和自旋来处理和传递信息的技术。

电子的自旋可以设想为当电子绕其轴线顺时针或逆时针旋转时产生，就像地球绕其轴线旋转一样。这两个旋转方向被称为 "向上 "和 "向下"。在当今的电子技术中，电子电荷被用来代表0和1，并以此来承载信息。相应的，在自旋电子学中也可以用电子的自旋状态来表示信息。

在量子物理学的世界里，一个电子可以同时拥有两个方向的自旋（从而处于1和0的混合状态）。当然，这在传统的 "经典 "世界中是完全不可想象的，也是量子计算的关键。因此，自旋电子学对于量子计算机的发展是很有前途的。

光自旋电子学就是将电子自旋状态所代表的信息传递给光，反之亦然。光，光子就可以通过光纤，非常迅速地、跨越长距离地将信息传递下去。电子的自旋状态决定了光的特性，或者说得更准确一些，它决定了光的电磁场会围绕着行进方向顺时针还是逆时针旋转，大致就像开瓶器可以有顺时针或逆时针的转动方向一样。

图1半导体量子点中的三电子高自旋态及其读出。来源:大阪大学

来自大阪大学SANKEN的科学家们演示了一个半导体量子点上由3或4个电子组成的自旋极化多电子态的读出。通过利用量子霍尔效应引起的自旋过滤，研究人员能够改进以往只能轻易分辨两个电子的方法。这项工作可能导致基于多电子高自旋态的量子计算机。

尽管在过去的75年里，计算机的能力增长了几乎不可想象的程度，但即使是今天可用的最快的计算机，其运行原理也与最初房间大小的真空管集合相同:信息仍然是根据电子的电荷在电路中聚集来处理的。然而，计算机制造商正迅速达到仅靠充电就能轻易实现的极限，而量子计算等新方法还没有准备好取代它们。一种很有前途的方法是利用电子的固有磁矩，即“自旋”，但控制和测量这些值被证明是非常具有挑战性的。

现在，由大阪大学(Osaka University)领导的一个研究小组展示了如何读出由镓和砷制成的微小量子点中多个电子的自旋态。量子点的行为就像人工原子，科学家可以通过改变它们的大小或组成来调整它们的属性。然而，随着被困电子数量的增加，能级上的差距通常会变得更小和更难解决。

图2量子点器件的扫描电镜图。来源:大阪大学

为了克服这个问题，研究小组利用了一种叫做量子霍尔效应的现象。当电子被限制在二维空间并受到强磁场的作用时，它们的状态就会量子化，因此它们的能级只能呈现出特定的值。“以前的自旋读出方法只能处理一到两个电子，但使用量子霍尔效应，我们能够分辨多达四个自旋极化电子，”第一作者Haruki Kiyama说。为了防止热波动的干扰，实验是在极低的温度下进行的，大约80毫艾尔文。资深作者Akira Oiwa说:“这种读出技术可能为更快、更大容量的多电子自旋量子信息处理设备铺平道路。”

图3高自旋读出的概念。来源:大阪大学

半导体材料：氧化锌半导瓷 化学式：ZnO 基本概况：ZnO(氧化锌)是一种新型的化合物半导体材料Ⅱ一Ⅵ宽禁带(E =3．37eV)。在常温常压下其是一种非常典型的直接宽禁半导体材料，稳定相是六方纤锌矿结构，其禁带宽度所对应紫外光波长，有希望能够开发出蓝绿光、蓝光、紫外光等等多种发光器件。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。 晶体数据：针状体根部直径 (µm) 0.1～10 比热 (J/g·k) 5.52 耐热性能 (℃) 1720(升华） 真实密度 (g/cm3) 5.8 表观密度 (g/cm3) 0.01～0.5 粉体电阻率 (Ω·cm) 104～109 介电常数 (实部) 4.5～30 介电常数 (虚部) 20～135 拉伸强度 (MPa) 1.2×104 d性模量 (MPa) 3.5×105 热膨胀率 (％/℃) 4×106 氧化锌空间结构 电镜下的氧化锌半导体材料 制备方法：纯氧化锌是煅烧锌矿石或在空气中燃烧锌条而得。氧化锌结晶是六角晶系，晶格常数α=3.25×10-10m，c=5.20×10-10m。室温下满足化学计量比关系的氧化锌晶体或多晶体中导电载流子极少，具有绝缘体的性能。在空气中经高温处理后，将会因氧的过剩或不足而成为偏离化学计量比关系的不完整晶体，即含有氧缺位或氧填隙锌的非化学计量比结晶，使自由电子或空穴大大增多，氧化锌由白色绝缘体变成青黑色半导体。当在氧化锌中加入适量的其他氧化物或盐类,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作为添加剂，按一般的陶瓷工艺成型烧结，可以制得氧化锌半导瓷。理论模型:六方纤锌矿结构是理想的氧化锌，对称性C6v-4、属于P63mc空间群，品格常数C=O．521 nm，Y=120 ，a=b=O．325 nm，α=β= 90。。其中c／a较理想的六角柱紧堆积结构的1．633稍小为1．602。其它方向的氧ZnO键长为O．197 nm，只有c轴方向为0．199 nm，其晶胞由锌的六角密堆积与氧的六角密堆积反向套够而成。本文所有的及孙模型都是以超晶胞为基础的模型。我们可以看出，在氧化锌中的配位体是一个三角锥，锥顶原子和中心原子的键长与锥面三个原子的键长相比要稍大，其棱长小于底面边长。所以，ZnO 四面体为晶体中02-一配位多面体，O2-与Zn 配位情况基本相同。 计算结果：利用实验晶格参数对理想的ZnO晶体的电子结构进行了计算。其中包括总体态密度，能带结构，分波态密度。图3，图4，图5为计算结果。用其他理论方法计算的结果与本文计算结果相符合。我们可以从图3，图4，图5中看出，基本上，ZnO的价带可分为两个区域，分别是-4．0～0 eV的上价带区以及一6．0～L4．0 eV的下价带。很显然，ZnO下价带区则主要是Zn3d态贡献的，而上价带区则主要是由02p态形成的。在一18 eV处由02s态贡献的价带部分，与其他两个价带由于之间的相互作用相对较弱，本文不做相关讨论。对于主要来源干Zn4s态贡献的导带部分，从Zn4s态到02p态电子具有明显的跃迁过程，氧位置处的局域态密度的引力中心受到影响向低能级方向移动，这就表明了，理想ZnO是一个共价键较弱，离子性较强的混合键金属氧化物半导体材料。组成：这种半导瓷由半导电的氧化锌晶粒及添加剂成分构成的晶粒间层所组成，其理想结构模型如图。由于每一个氧化锌晶粒和晶粒间层之间都能形成一个接触区，具有一般半导体接触的单向导电性，所以两个晶粒间存在两个相反位置的整流结，一块氧化锌半导瓷片是大量相反放置的整流结组的堆积。 图6：氧化锌半导瓷空间结构氧化锌半导瓷的伏安特性：当外加电压于这种材料时，低电压下，由于反偏整流结的阻挡作用，材料呈高阻状态，具有绝缘性能。当电压高达一定值时，整流结发生击穿，材料电阻率迅速下降，成为导电材料，可以通过相当大密度的电流。图7：氧化锌半导体瓷的伏安特性 作用：氧化锌半导瓷的非线性电压电流关系。利用这种对称的非线性伏安特性可以制成各种电压限幅器、能量吸收装置等，如电力系统的过电压保护装置，特别是由于这类材料低电压下的电阻率高，因而在长期工作电压下漏电流小、发热小，可以做成不带火花间隙的高压避雷器；而高电压下电阻低、残压小，能把过电压限制在更低的水平上，使电网和电工设备的绝缘水平有可能降低，特别是在超高压电网，这一点更为重要。拓展：稀磁半导体材料（Diluted magnetic semiconductors，DMS）稀释磁性半导体简称稀磁半导体(Diluted Magneticsemi Conductors,DMS),是利用3d族过渡金属或4f族稀土金属的磁性离子替代Ⅱ2Ⅵ族、Ⅳ2Ⅵ族、Ⅱ2Ⅴ族或Ⅲ2Ⅴ族等化合物半导体中的部分非磁性阳离子而形成的新型半导体材料,又可称为半磁半导体(Semi Magnetic Semi Conductors,SMSC)材料或半导体自旋电子材料。之所以称为稀磁半导体是由于相对于普通的磁性材料,其磁性元素的含量较少。这类材料由于阳离子替代而存在局域磁性顺磁离子,具有很强的局域自旋磁矩。局域顺磁离子与迁移载流子(电子或空穴)之间的自旋2自旋相互作用结果产生一种新的交换相互作用,使得稀磁半导体具有很多与普通半导体截然不同的特殊性质,如磁性、显著的磁光效应和磁输运性质。稀磁半导体能利用电子的电荷特性和自旋特性,即兼具半导体材料和磁性材料的双重特性。它将半导体的信息处理与磁性材料的信息存储功能、半导体材料的优点和磁性材料的非易失性两者融合在一起,这种材料研制成功将是材料领域的革命性进展。同时,稀磁半导体在磁性物理学和半导体物理学之间架起了一道桥梁。ZnO作为一种宽带隙半导体,激子束缚能较高(60meV),具有温度稳定性好、光透过率高、化学性能稳定,原料丰富易得、价格低廉等优点,并且过渡金属离子易于掺杂,可制备性能良好的稀磁半导体,因而成为目前稀磁半导体材料的研究热点。 国内研究以及原理：近年来，由于1i掺杂的Zn()材料可能同时具有铁电性和铁磁性，国内很多研究者都对它进行了研究。南京大学的宋海岸等制备了Ni、I』i共掺的ZnO薄膜，发现由于Li掺杂引入了空穴，使铁磁性减弱 ]。北京航空航天大学的李建军等制备了I Co共掺的ZnO纳米颗粒，实验发现，当掺杂浓度少于9 时体系的铁磁性会增强，其原因是掺入后形成了填隙原子，电子浓度明显增加，使得束缚磁极子浓度增加，且磁极子之间容易发生重叠，最终导致铁磁耦合作用增强。武汉大学的C W Zou等制备了Mn、Li共掺杂的ZnO薄膜，研究了不同Mn掺杂浓度的ZnO样品。但这些研究中对Li、Mn共掺杂ZnO陶瓷的磁性研究并不常见。 应用现状与前景展望(1)改变组分获得所需的光谱效应通过改变磁性离子的浓度可得到所需要的带隙,从而获得相应的光谱效应。由于其响应波长可覆盖从紫外线到远红外线的宽范围波段,这种DMS是制备光电器件、光探测器和磁光器件的理想材料。在Ⅲ2Ⅴ族宽带隙稀磁半导体GaN中掺入不同的稀土磁性元素可发出从可见光到红外的不同波长的光,加上GaN本身可发紫外光,因此掺稀土GaN材料可发出从紫外到红外波段的光,如在GaN中掺Er可发绿光,而掺Pr可发红光等。1994年Wilson等[24]在掺Er的GaN薄膜中首次观察到1.54μm的红外光荧光。1998年Steckl等采用Er原位掺杂方法首次获得绿光发射[25],掺Er的GaN的另一个重要特性是其温度猝灭效应很弱,这对于制备室温发光器件非常重要。后来红光和蓝光器件相继研制成功,这些都可以作为光通信和光电集成的光源。(2)sp2d交换作用的应用利用DMS的巨法拉第旋转效应可制备非倒易光学器件,也可用于制备光调谐器、光开关和传感器件。DMS的磁光效应为光电子技术开辟了新的途径。利用其磁性离子和截流子自旋交换作用(sp2d作用)所引起的巨g因子效应,可制备一系列具有特殊性质的稀磁半导体超晶格和量子阱器件。这种量子阱和超晶格不仅具有普通量子阱和超晶格的电学、光学性质,而且还具有稀磁半导体的磁效应,因此器件具有很多潜在的应用价值。利用磁性和半导体性实现自旋的注入与输运,可造出新型的自旋电子器件,如自旋过滤器和自旋电子基发光二极管等。(3)深入研究自旋电子学,推动DMS的实用化自旋电子学是目前固体物理和电子学中的一个热点,其核心内容是利用和控制固体,尤其是半导体中的自旋自由度。近年来以稀磁半导体为代表的自旋电子学的研究相当活跃,各国科研机构和各大公司都投入了巨大财力和人力从事此领域的研究。利用具有磁性或自旋相关性质的DMS基材料可制出一类新型器件———既利用电子、空穴的电荷也利用它们的自旋。这些新材料和人造纳米结构,包括异质结构(HS)、量子阱(QW)和颗粒结构一直是一些新型功能的“沃土”———与自旋相关的输运、磁阻效应和磁光效应。自旋电子学可用于计算机的硬驱动,在计算机存储器中极具潜力。在高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成电路、光隔离器件和半导体激光器集成电路以及量子计算机等领域,DMS材料均有重大的潜在应用。但上述以稀磁半导体为基础的自旋电子器件的研制尚处于起步阶段,距实用化还有很长的路程。自旋电子学与自旋电子学器件研究的深入,将加深DMS机理的研究和理论的探索,推动DMS的实用化过程。(4)室温DMS的研究为了应用方便,需要开发高居里温度(Tc)的DMS材料(高于室温)。室温下具有磁性为磁性半导体的应用提供了可能。扩展更多的掺杂磁性元素或生长更多种类材料来提高DMS材料的居里温度是当前的首要问题。近来Hori等成功掺入5%Mn在GaN中,获得了高于室温的Tc报道表明(Zn,Co)O的居里温度可达到290～380K[26]。Dietl等[6]采用Zener模型对闪锌矿结构的磁半导体计算表明,GaMnN和ZnMnO具有高达室温的居里温度,该计算结果对实验研究提供了很好的理论依据。但是,如何将磁性和半导体属性有机地结合起来仍然是值得进一步研究的问题。

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