研究:一种新型磁性半导体,为反常霍尔效应提供了新视角

研究:一种新型磁性半导体,为反常霍尔效应提供了新视角,第1张

近日,东京理工大学材料科学家进行的一项研究表明,在没有大规模磁排序的情况下,新型磁性半导体中存在大规模的异常霍尔电阻,这也验证了最近的理论预测。他们的发现为反常霍尔效应提供了新的见解,这是一种以前与长程磁序相关的量子现象。

带电粒子(如电子)在电场和磁场的影响下移动时,可以表现出相互影响的方式。例如,当磁场垂直于载流导体的平面时,内部流动的电子由于磁力而开始侧向偏离。很快,导体两端就会出现电压差,这种现象被称为“霍尔效应”。

然而,霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上,它可以在具有长程磁性有序的磁性材料中直接观察到,例如铁磁体。这种现象被称为“反常霍尔效应”(AHE),似乎是霍尔效应的近亲。但是,它的机制更复杂。目前,最被接受的说法是,AHE 是由电子能带的一种被称为“贝里曲率”的特性产生的。

磁性排序对AHE来说是必要的吗?最近的一个理论表明并非如此。出于好奇,内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。

他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性,该材料仅具有一个奇特的扭曲三角形晶格结构,并观察到23K以下的反铁磁(AFM)行为(相邻的电子自旋排列在相反的方向)。此外,他们观察到,在有外部磁场的情况下,该材料的电阻随温度急剧下降,这种行为被称为"巨大的磁电阻"(CMR)。然而,更有趣的是,CMR甚至在23K以上也被观察到,在那里AFM的秩序消失了。

更加令人惊讶的发现就是霍尔电阻率随温度升高,在70K时达到顶峰,远远高于AFM排序温度,这表明在没有磁性排序的情况下,大型AHE也是可能的。为了了解这种现象的产生原因,研究小组进行了模型计算。结果显示,这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射,在这种“跳跃制度”下,电子不流动,而是在原子之间“跳跃”。

研究人员表示,这些结果使我们能更加了解磁性固体内部电子的奇怪行为。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体,并有可能打开一个新的研究领域。

该研究论文题为“Above-ordering-temperature large anomalous Hall effect in a triangular-lattice magnetic semiconductor”,已发表在 Science Advances期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5381

半导体是指一种导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。现在大部分电子产品中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。

一、2019年全球半导体材料市场销售额达521.2亿美元

SEMI报告指出,2019年全球半导体材料市场销售额为521.2亿美元,小幅下降-1.1%。分区域来看,中国台湾、韩国、中国大陆、日本、北美、欧洲半导体销售额分别为113.4亿美元、88.3亿美元、86.9亿美元、77.0亿美元、56.2亿美元、38.9亿美元,分别占全球半导体材料市场份额的22%、17%、17%、15%、11%、17%。中国大陆是2019年各地区中唯一增长的半导体材料市场,销售规模位居第三。

二、2019年封装材料销售额下滑增速超过晶圆制造材料

分产品来看,2019年全球晶圆制造材料销售额328亿美元,略微下降0.4%其中工艺化学品、溅射靶材和CMP同比下降超过2%。2019年封装材料销售额192亿美元,同比下滑2.3%。

三、2019年一半以上半导体上市公司净利增长

国内上市公司中,也有不少半导体行业上市公司,不过从规模来看比较小,但是在新一轮产能扩展期,将带来新的发展机会。截至2020年1月21日,共有22家半导体企业公布2019年业绩预告,有15家企业净利润出现增长的情况,其中上海新阳、闻泰科技、北京君正、安泰科技、天龙光电、硅宝科技6家企业净利润同比增长超过100%(数据对比以下线为止,下同),占比27.27%净利同比下降的企业有7家,分别为强力新材、航锦科技、三安光电、士兰微、鼎龙股份、台基股份、大唐电信,占比为31.82%。

四、核心芯片国产自主化迫在眉睫

未来,中国半导体的发展趋势主要表现在:第一,政策引导推动集成电路成为战略性产业。第二,新兴技术将成为集成电路产业的未来核心产品。第三,核心技术及人才资源成为集成电路产业的可持续发展力。特别需要注意,中国国内的半导体自给率水平非常低,特别是核心芯片极度缺乏,国产占有率都几乎为零,国产产品的自主化迫在眉睫。

——以上数据来源及分析请参考于前瞻产业研究院《半导体硅片、外延片行业市场前景预测与投资战略规划分析报告》。

像电子这样的带电粒子在电场和磁场的影响下运动时,可以表现出相互影响的方式。例如,当磁场垂直于载流导体的平面施加时,内部流动的电子由于磁力而开始偏离侧面,很快,导体上出现了电压差。这种现象被称为"霍尔效应"。 然而,霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上,它可以在具有长程磁秩序的磁性材料中直接观察到,如铁磁体。

科学家将这种现象命名为"反常霍尔效应"(AHE),它似乎是霍尔效应的一个近亲。然而,它的机制要更复杂一些。目前,最被接受的一种说法是,AHE是由电子能带的一种被称为"贝里曲率"的特性产生的,它是由电子的自旋和它在材料内部的运动之间的相互作用产生的,更常见的是"自旋-轨道相互作用"。

磁性排序对AHE来说是必要的吗?最近的一个理论表明并非如此。"理论上已经提出,即使在磁秩序消失的温度以上,也有可能出现大的AHE,特别是在具有低电荷载流子密度、电子间强交换作用和有限自旋手性的磁性半导体中,这与自旋方向相对于运动方向有关,"东京工业大学(Tokyo Tech)的副教授内田博士解释说,他的研究重点是凝聚态物理。

出于好奇,内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。在《科学进展》上发表的一项新研究中,他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性,该材料只知道有一个奇特的扭曲三角形晶格结构,并观察到23K以下的反铁磁(AFM)行为(相邻的电子自旋排列在相反的方向)。此外,他们观察到,在有外部磁场的情况下,该材料的电阻随温度急剧下降,这种行为被称为"巨大的磁电阻"(CMR)。然而,更有趣的是,CMR甚至在23K以上也被观察到,在那里AFM的秩序消失了。人们很自然地理解,在EuAs中观察到的CMR是由稀释的载流子和局部Eu2+自旋之间的耦合引起的,这种耦合在很大的温度范围内持续存在。

然而,真正夺人眼球的是霍尔电阻率随温度的上升,它在70K的温度下达到顶峰,远远高于AFM排序温度,这表明在没有磁性排序的情况下,大型AHE也是可能的。为了了解是什么导致了这种非常规的AHE,研究小组进行了模型计算,结果显示,这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射,在这种"跳跃制度"下,电子不流动,而是在原子之间"跳跃"。

这些结果使我们在理解磁性固体内部电子的奇怪行为方面更近了一步。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体,并有可能打开一个新的研究领域,即针对稀释的载流子与非常规的自旋有序性和波动的耦合。


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