稀磁半导体的磁学机理和物理特性

磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位 置形成稀磁半导体，通过局域自旋磁矩和载流子之间 存在强烈的自旋-自旋交换作用，在外加电场或者磁 场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生 异于半导体基质的特性。自旋-自旋交换相互作用是 DMS 材料区别于非磁半导体材料的关键，也是形成 各种磁极化子的主要原因。在 DMS 中，交换作用包 括类 s 导带电子和类 p 价带电子同磁性离子的 d 电子 间的交换作用(sp-d 交换作用)和磁性离子的 d 电子间 的交换作用(d-d 交换作用)。

Soalek 等人分析了许多试验结果后发现在 Mn 基 DMS 中，决定交换积分大小的主要是最近邻 Mn2+离 子的距离。实验表明，在 DMS 中磁性离子问的交换

作用是在畸变了的晶格中以阴离子为媒介的超交换作用。 负磁阻效应:

磁性离子掺杂到半导体结构中形成 DMS 后，载 流子自旋和磁性离子自旋之间存在交换耦合作用，磁 性离子自旋可以产生铁磁性极化作用将载流子俘获 在铁磁自旋簇中，形成磁束缚态极子。随着外加磁场 的增加，内部的束缚态磁极化子(BMP)越来越多的被 破坏掉，使更多的载流子被释放出来参与导电。因此， 稀磁半导体样品在低温下呈现负的磁阻效应。 H. Ohno研究了Ga1-xMnxAs的稀磁半导体材料， 随Mn参杂浓度变化，样品呈现金属性及绝缘性能。 实验发现，金属性样品的负磁阻性会随着温度T的降 低而增强，当温度上升到Tc时有最大值出现；绝缘性 样品则是随着温度低于Tc后，仍然有所增强，并且在 低温条件下，磁场对于磁阻的影响会更加显著。 反常霍尔效应 增强磁光效应

磁光效应的增强是 DMS 材料的又一特性，光偏振面的角度变化（法拉第角）可以反映材料内部 d 电 子与 p 及 s 电子之间相互作用的相对强弱。

稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors, DMS）是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素（transition metals, TM）取代后形成的磁性半导体。因为一般掺入的杂质浓度不高，磁性比较弱，因而叫做稀磁半导体，或者半磁半导体。因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。存在的问题集中于稀磁半导体的磁性来源，倘若研究结果与人设想的相同，则必将给计算机领域带来一场新的革命。

稀磁半导体兼具半导体和磁性材料的性质，使同时利用半导体中的电子电荷与电子自旋成为可能，为开辟半导体技术新领域以及制备新型电子器件提供了条件。尽管目前对于DMS材料应用的研究尚处于实验探索阶段，但已展示出其广阔的应用前景。如将 DMS材料用作磁性金属与半导体的界面层，实现自旋极化的载流子向非磁性半导体中的注入，可用于自旋 极化发光二极管的制造。而对于某些铁磁层/无磁 层的多层异质结构，如GaMnAs/AlGaAs/GaMnAs 等，通过调节外部参数如温度、电场等，可控制半导 体层中的载流子浓度以及磁性层间的磁耦合，这种特 性能够应用于制造磁控、光控的新型超晶格器件。

理想的稀磁半导体材料应该具备如下的性质:

(1)其TC能达到500K以上,充分保证相关器件的热稳定性和广泛的应用范围(2)材料的载流子浓度足够低,可以很容易通过光或电控制载流子媒介导致的铁磁性(3)材料载流子的迁移率足够高,保证器件运行响应的速率(4)相对于磁离子具体的无规律分布,材料的磁性质足够稳定并且可重复(5)自由载流子平均交换场要足够大,能够产生大的磁阻和大的隧穿磁阻现象(6)具有足够强的磁光效应,保证磁存储信息的光读出(7)集体磁衰减足够弱,保证利用光和输运的自旋传递现象)即利用准粒子激发 *** 作磁化是可行,等等。