新型DMS材料的存储特性与应用前景.doc

目 录摘 要：11 绪论21.1 自旋电子学的简介21.2 稀磁半导体的研究概述31.3 稀磁半导体的物理性质32 DMS的研究现状、材料的制备方法及其磁性的探索52.1 DMS的研究现状52.2 ZnO的掺杂薄膜的制备方法以及优缺点72.3 Mn掺杂的ZnO薄膜72.4 Co掺杂的ZnO薄膜92.5 其它过渡族元素掺杂的ZnO薄膜113 DMS的应用前景134 结论14参考文献14新型DMS材料的存储特性与应用前景摘 要： 稀磁半导体(简称DMS)是集电子的电荷和自旋于一体，使之具有了半导体的电荷运输特性和磁性材料的信息存储特性，是一种新型的功能材料，被认为是2l世纪最重要的电子学材料。由于磁性元素的掺入，稀磁半导体具有了一些奇特的性质。稀磁半导体具有存储特性的这一特征是目前国际上研究的热门课题，研究最为广泛的是过渡族金属掺杂的ZnO所制成的DMS。尽管理论上和实验上都已经取得了很好的结果，但是仍然有许多问题(如磁性起源）有待于进一步解决。本文主要是在ZnO基DMS方面开展了一些讨论。关键词： 稀磁半导体；ZnO；磁性起源The memory properties and application prospects of new DMS materialsAbstract: Much of the attention on magnetic semiconductor materials(abbreviation is DMS) is due to its potential application in what is now called “spintronics” devices,which exploit spin in magnetic materials along with charge of electrons in semiconductors, and DMS is considered the most important Electronics materals in the 21 century. Due to the incorpration of magnetic ions,DMS exhibit some novel properties as compared to conventional semiconductors. The research on diluted magnetic semiconductors is one of the frontiers of modern physics. As one of the most promising DMS candidates,transition metals doped ZnO has been receiving great attention very recently. Although there have been many inspiring results in both theretic and experimental fields, some questionsare still to be further solved，such as the origin of the observedferromagenetism. Therefore,in this work,our attention has been centralized on ZnObased DMS.Key words: diluted magnetic semiconductor；ZnO；the origin of magetic1 绪论近年来，由于现代电子科技和电子产业的飞速发展，传统的电子工艺已经逐渐不能满足现有的对于器件小型化的需求，所以当前科技人员致力于在常规电子工艺中引入电子自旋，以期在半导体中同时利用载流子及其自旋，从而使将电子的自旋应用于存储、传输、处理量子信息成为可能。稀磁半导体由于兼具磁性物质及半导体的特性，易于与常规半导体工艺兼容。稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductor，简称DMS)，是指磁性过渡金属或稀土金属离子部分取代化合物半导体（通常为AB型）的阳离子，从而形成三元或四元的化合物。由于微量的磁性原子的引入，改变了原有的半导体的微观机制，因此使稀磁半导体在磁学、电学、光学等方面具有极其独特的性质，如：巨负磁阻效应、增强磁光效应、反常霍尔效应等。本章简略介绍了自旋电子学、稀磁半导体的研究背景以及特定的物理性质。1.1自旋电子学的简介自旋电子学又称磁电子学，是以电子自旋或自旋为其核心研究内容。在自旋电子学中，信息的读取，传输和处理都是针对电子或核自旋来操作的。自旋电子学的出现是以1988年的巨磁阻(GMR)效应的发现为标志，如今GMR效应已经在商业上取得了巨大的成功，新一代的超高密度硬盘的磁头就是利用GMR原理。除此之外，磁随机存储也有望在将来取代基于CMOS的非挥发性闪存。另一方面，电子自旋的天然二元性质，使其成为量子计算机的基本单元量子位的理想选择。但是这些应用最终能否实现都要依赖于对电子自旋的精确控制，也依赖于对其基本特性的了解。自旋电子学研究与电子的自旋和电荷都密切相关的物理现象。如何实现磁性与半导体性能的内部结合，将这两种性质结合起来探索新的功能材料，进一步增强半导体和磁性器件的性能，是研究的一个热点。然而稀磁半导体作为一种重要的自旋电子材料而受到广泛关注和研究。稀磁半导体作为一种新的半导体材料，它将自旋和电荷两个自由度集于同一基体，同时具备有磁性材料和半导体材料的特性，在自旋电子学以及光电子领域已经展现出非常广阔的应用前景，比如自旋阀、自旋二极管、稳定的存储器、逻辑器件和高速的光开关等等，因此，无论在物理上，还是在应用上，稀磁半导体材料都是一个值得深入研究的课题。1.2稀磁半导体的研究概述稀磁半导体(diluted magnetic semiconductor,简称DMS)又称半磁半导体，是指由磁性过渡金属离子和稀土金属离子部分替代非磁性阳离子后形成的一类半导体材料。DMS材料由于具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在高密度非易失性存储器、磁感应器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有着广泛的应用前景，已成为当今材料研究领域中的热点。DMS材料在没有被外场作用下与非磁半导体具有相同的性质；但是受到外场作用时则具有一定的磁性。其中最为重要的是其禁带宽度和晶格常数随掺入的磁性离子的浓度和种类的不同而变化，通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件。早期研究的稀磁半导体材料中主要是铕和铬的硫族化合物(岩盐结构：EuSe、EuO，尖晶石结构：CdCrS4、CdCrSe4)，这两类化合物兼备磁性和半导体的特性，它们在低温下显示出铁磁性，居里温度100 K。它们的光学性质和电学性质也随着外加磁场或材料内部磁有序状态的变化而变化，同时其磁性还可以通过掺杂浓度来控制。这些材料在上世纪已经得到了广泛的研究，展现出了一个半导体和磁性相互影响的新领域。最近，人们用少量磁性元素与II-VI族非磁性半导体形成的合金，如(Cd，Mn)Te和(Zn,Mn)Se等，这些II-VI族稀磁半导体可以成为第二代磁性半导体。2000年Dietl T等1 预言掺Mn的p型半导体ZnO在室温具有铁磁性，从此掀起了人们对ZnO基DMS的研究热潮。本文中主要简述了国内外ZnO基DMS的研究状况。1.3稀磁半导体的物理性质1.3.1 磁学性质绝大部分的II-VI族半导体化合物都是抗磁性的，但是当过渡族或稀土族金属离子部分地，无序的替代了化合物中的非磁性阳离子之后，在磁学性质上发生了很大的变化。在实验上观测到的典型的特征有：i 在高温下，其磁化率表现为居里-外斯定律；ii 在适当的磁性离子浓度范围内，表现出自旋玻璃态；iii 某些DMS表现出磁化的形状各向异性；iv 某些DMS表现出铁磁性，而有些DMS表现出反铁磁性。1.3.2 光学性质实验和理论分析发现，DMS材料的光吸收特征明显受材料磁有序的影响。在低温磁有序的情况下，材料基本吸收边会由于磁有序作用而发生蓝移；而在高温完全磁无序的情况下，由于离子和带电子的交换作用使吸收边发生红移。1.3.3 稀磁半导体的相互交换作用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(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。1.3.4 DMS的磁运输性质1.巨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。HOhno2研究了的稀磁半导体材料，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，当温度上升到时有最大值出现；绝缘性样品则是随着温度低于后，仍然有增强，并且在低温条件下，磁场对于磁阻的影响会更加显著。2. 金属一绝缘体转变在一定的载流子浓度范围之内，DMS的负磁阻效应会引起磁场感应绝缘体一金属转变，对一般非磁半导体材料，绝缘体一金属转变只能发生在很高的外加磁场下，但对DMS材料，只要在较低的磁场下就能发生绝缘体一金属转变，而且这种转变是发生在磁场连续增加的情况下。3霍尔效应反常霍尔效应是由自旋-轨道相互作用产生的，正常霍尔效应正比于材料的载流子浓度的倒数，因此在铁磁体中，霍尔电阻率可以描述为 (1.1)其中R0表示零磁场的电阻值，B为外加磁场，为迁移率，Rs为薄层电阻。反常霍尔效应反映了铁磁体中载流子的自旋极化，因此在铁磁性半导体中发现反常霍尔效应是本质铁磁属性的有力证据。2 DMS的研究现状、材料的制备方法及其磁性的探索随着信息技术的发展，人们不断的从事稀磁半导体的研究，从而得到了大量的关于稀磁半导体的实验数据。本章主要叙述了目前国内外ZnO基稀磁半导体的研究现状和ZnO及其掺杂薄膜的制备方法以及若干种金属元素掺杂的ZnO薄膜的磁性的探索。2.1 DMS的研究现状近年来，研究人员对稀磁半导体(DMS)的研究取得了相当大的进步，他们在探究了许多不同的半导体基体后，发现其中以II-VI族(如CdTe或ZnSe)为基可以获得大量的DMS，因为这些阳离子的化合价(+2)与普通磁性离子(如Mn)的化合价相互匹配。Mn掺杂II-VI族DMS有趣的磁、磁光、光等特性广泛地引起了国内外研究人员的兴趣。但是，II-VI族DMS里的磁交换作用受到Mn自旋中反铁磁交换作用的制约。并且经证实很难通过p型或n型载体来产生铁磁性的交换作用。事实上，迄今为止DMS也仅仅是在低温情况下才能成功获得铁磁性，但在实际的应用电子器件方面，低温II-VI族的DMS并不能推广，相比之下更具前景的III-V族的DMS，如GaAs或InAs。III-V族基体中用二价的过渡金属离子来代替三价的阳离子时，也会引入空穴，相信可以用来作为在体系中铁磁排序的载体。III-V族DMS的居里温度()通常会比II-VI族DMS的要高(可达到100 K左右)，但还没达到能够应用的室温值。ZnO是一种新型的II-VI族宽禁带(33 eV)半导体材料，作为直接带隙半导体材料，有着很高的激子束缚能(60 MeV)，具有优异的晶格、光电、压电以及介电特性，无毒性，原料易得价廉，外延生长温度也较低，有利于降低设备成本、抑制固相外扩散、提高薄膜质量，而且也易于实施掺杂。ZnO所具有的这些优异特性，使其在诸多领域得到了较为广泛和有效的应用，但对于ZnO基掺杂所得到的DMS的磁性起源一直具有争议。稀磁半导体的实现主要是通过对非磁性半导体进行磁性阳离子掺杂来实现，即掺杂有限量的过渡族金属元素(TM)。目前，已有的实验研究主要集中在Mn掺杂ZnO和Co掺杂ZnO方面，其它的TM元素也有一定的报道。2000年Dietl等通过理论分析指出了宽带隙半导体材料ZnO掺杂Mn有可能成为实现高居里温度稀磁半导体的候选材料。利用平均场Zener模型，Dietl等计算了掺杂5%Mn、空穴浓度为3.51020/cm3的各种半导体材料的居里温度，如图1所示。平均场Zener模型是建立在ZenerEs和RKKY交换作用基础上的原始模型。与RKKY交换作用相比，平均场Zener模型考虑了基体中载流子交换作用的各向异性，揭示了价带中的自旋-轨道耦合对居里温度有着重要影响。Sato等采用局域密度近似算法同样也证实了TM掺杂的ZnO基DMS具有室温铁磁性。依据这些预言，研究人员在实验上对TM掺杂氧化物半导体材料进行了广泛的研究，其中以TiO2和ZnO基DMS尤为引人注目，很多研究人员通过掺杂一系列3 d过渡金属的阳离子成功制备了ZnO基DMS，并且其中的一些人还报道了高室温铁磁性，另外也有一些人报道在他们的样品里观察到了顺磁特性和自旋玻璃特性。 图1 Dietl等人你利用Zener模型计算Mn掺杂量为5%、空穴浓度为的各种p型半导体的2.2 ZnO的掺杂薄膜的制备方法及其优缺点ZnO及其掺杂薄膜的制备方法比较多，常见的制备方法有：分子束外延(MBE)技术、脉冲激光沉积(PLD)、各种化学气相外延生长(CVD)、磁控测射、溶胶一凝胶(sol-gel)、超声喷雾热解(USP)等3。它们在制备特点上各有优缺点，MBE是一种可以达到原子级控制并且能在非热平衡情况下生长薄膜的方法，可以制备掺杂浓度高、致密的ZnO及掺杂薄膜，但是应用MBE生长薄膜需要超高真空条件，其昂贵的设备要求使许多器件上的应用难以满足。PLD是在超高真空的环境中，将KrF或ArF激光器发出的高能脉冲激光束汇聚在靶表面，把靶材料瞬间间熔融气化，并沉积到衬底上形成薄膜这种方法能够保证制备过程中相对原子浓度不变，易于制备接近理想配比的薄膜，在薄膜的定向生长和致密性方面具有很大势。此外，它对靶材的形状有表面无特殊要求，目前很多优质薄膜都是采用PLD制备。但是PLD对沉积生长条件要求也高，尤其是在掺杂控制、平滑生长多层膜方面存在一定困难。Sol-gel法是新型的边缘技术，氧化物经过液相沉积形成薄膜，经过热处理形成晶体薄膜，此法可以大面积生长薄膜，而且可以实现分子水平上的掺杂，薄膜的均匀性相对好，与其它方法相比更容易形成多孔状纳米晶态薄膜，薄膜的致密性相对不高。2.3 Mn掺杂的ZnO薄膜采用不同制备方法得到的薄膜具有的磁学性能差异很大，而且居里温度差异也很大。Fukumum等人4用PLD方法在蓝宝石衬底上沉积了薄膜，观察了磁化强度在ZFC和FC两种情况下对温度的依赖关系。样品在10 K温度时。ZFC和FC的磁化强度发生偏离，表明了薄膜具有自旋玻璃态，薄膜的居里-外斯温度是个很大的负值，对应于很强的反铁磁交换作用。Jung等人5则观察到了薄膜的铁磁性，他们用L-PLD方法在蓝宝石衬底上制备了薄膜。薄膜的M-T曲线显示和的温度分别为30 K和45 K，低于区域，的磁化强度是的34倍，而且在5 K温度以下，薄膜的M-H曲线呈明显的磁滞状。这些表明Mn的掺杂ZnO形成的薄膜具有铁磁性。Kim等人6采用sol-gel方法在Si衬底上制备了薄膜，薄膜显示了铁磁性，居里温度为39 K，通过对薄膜的TEM图像分析，他们认为铁磁性源于薄膜表面的。Guo等人7也在薄膜观擦到铁磁性，铁磁性源于。Zhang等人8研究了制备条件和退火温度对薄膜铁磁性的影响，他们用固相反应法制备了。研究发现高温(1173 K)烧结的样品表现为顺磁性，低温(773 K)烧结的样品室温下观擦到铁磁性，M-T曲线显示低温烧结的样品时顺磁性和铁磁的混合相。烧结气氛对样品的铁磁性也有一定的影响，真空中烧结的样品比空气中烧结的样品室温铁磁性弱，而且真空中烧结的样品在低温区发生了磁转变，这可能和样品存在的有关。低温烧结的样品分别在873 K、973 K和1173 K的低温下退火，发现随着退火温度的升高，样品的室温铁磁性减弱，1173 K中退火的样品表现为顺磁性。低温烧结的样品中存在亚稳相()是铁磁性的来源，高温退火后样品中亚稳相转变为无磁相，铁磁性逐渐减弱直到消失。Mariana Diaconu 等人9通过PLD法在蓝宝石衬底上制备了ZnMnO：P薄膜，通过SQUID测量，薄膜在600，氧压0.3 mbar环境中生长，P掺杂为0.1%时，薄膜显示了高温的铁磁性。但是增加P含量到0.5%，铁磁性在明显的减少(图2)，P掺杂影响样品的铁磁性，分析认为样品的铁磁性不是来自MnP团簇。我国中科院和许多大学都开展了这方面的研究，东方明等人制备Fe、Co共掺杂ZnO薄膜，在室温下显示铁磁性，在此基础上掺入少量Cu离子改善了薄膜的磁性能(图3)。华中科技大学的王永强、安徽大学的刘艳美等研究小组研究了Co、Mn共掺ZnO薄膜的铁磁行为，样品呈现铁磁有序。图2 Mariana Diaconu等人得到的不同温度、不同掺杂量的ZnMnO：P薄膜的 磁滞回线图3 东方明等人得到的薄膜的磁滞回线2.4 Co掺杂的ZnO薄膜Ueda等人10用PLD方法在蓝宝石衬底上制备了n型(x=0.050.25,TM=Co,Mn,Cr,Ni)薄膜。他们用SQUID测量了薄膜的磁化强度对温度的依赖特性(M-T曲线)和磁化强度随磁场变化的曲线(M-H),和薄膜的M-H曲线都呈磁滞状，表明薄膜具有铁磁性，居里温度约为280 K。分析认为薄膜的铁磁性机理是RKKY模型或双交换机制，但是，薄膜的可重复率小于10%。同时，在Cr，Ni，Mn掺杂ZnO薄膜中没有观擦到铁磁性存在。Rode等人11也用PLD在蓝宝石衬底上制备了薄膜，沉积时氧压为Pa或更低时，薄膜室温下具有铁磁性，这可能是由于过低的沉积气压使薄膜中具有更多的氧空位，从而产生了更多的自由电子来调节铁磁性的交换作用，通过测量薄膜ZFC和FC的M-T曲线，认为铁磁性来源与薄膜内在的(Zn,Co)O相。Park等人研究了ZnO：Co薄膜的铁磁性，他们用sol-gel法在蓝宝石衬底上制备了薄膜，并在1.33 Pa的O2中600退火10 min，用XRD、EXAFS和TEM分析了薄膜的结构，当x0.12时，Co离子代替了ZnO中的Zn离子，薄膜中没有形成Co团簇或Co的氧化物，薄膜为顺磁性；当x0.12时，薄膜中的出现Co团簇，薄膜表现为室温铁磁性，他们认为薄膜的铁磁性源于纳米Co团簇，这是有待于研究与探讨的问题。H Ndilimabaka等人12采用金属Zn和Co靶，通过混合溅射在Al2O3衬底(保持600)上沉积了薄膜，又掺杂了5%的As+制备的：As薄膜。图4是薄膜在As掺杂前后及退火处理后的室温室温磁滞回线，薄膜具有铁磁性。进一步研究表明，样品的最大饱和磁矩约为0.8/Co，远小于Co的3/Co，他们认为样品中的小部分Co的自旋发生耦合，大部分Co仍处于顺磁或反铁磁态。掺杂As以及退火处理都对薄膜的铁磁性产生影响。图4 H Ndilimabaka等人采用金属Zn和Co靶，通过混合溅射制作的样品在As掺杂前后及退火处理后的室温磁滞回线Bouloudenine等人认为薄膜是反铁磁性的，他们对制备了、和多晶粉末，在5 K下M-H曲线表明样品是顺磁性的，没有观察到铁磁性。采用布里渊函数分析了样品的顺磁性。发现样品中Co含量很低，从而推断其余的Co通过所原子增强了反铁磁性耦合。2.5其它过渡族元素掺杂的ZnO薄膜除了Mn、Co掺杂ZnO薄膜，许多研究人员研究了V、Cr、Fe、Ni等元素掺杂ZnO薄膜的磁性能。Venkatesan等人通过PLD在蓝宝石上生长了Sc、Ti、Fe、Co、Ni等元素掺杂ZnO薄膜，实验表明所有的样品都具有铁磁性。Han等人的研究发现，ZnO中单掺Fe，其居里温度很低，但掺入少量Cu后情况大有改变，高达550 K，霍尔系数是负值，表明掺入Cu之后的导电仍以电子为主(n型)，室温下和的电子浓度分别为5.01017/cm3和4.21017/cm3。Cho等人通过射频磁控溅射生长Co、Fe共掺ZnO薄膜，观察到高温铁磁性，磁矩为5.4 emu/cm3，退火后样品的磁矩达15 emu/cm3。Lee等人通过溶胶-凝胶法生长Cr、Li共掺ZnO薄膜，样品显示了顺磁行为，当温度为350 K时样品具有铁磁行为。Ahn13以Mossbauer谱研究了Fe在ZnO中的价态以及对磁性能的影响，样品在低温(77 K)下铁磁性和顺磁性都存在，但在室温样品只显示顺磁性，而且随着温度的升高Fe2+浓度减小，Fe3+浓度增加。AJBehana等人14通过PLD在Al203衬底上沉积了(x=4，5，6%)薄膜，通过SQUID测试，所有薄膜显示室温铁磁性，磁矩分别是0.12，0.05，0.01，Hall效应仪测得薄膜的载流子浓度分别为1.91021，1.11021，4.21020/cm3载流子浓度和空穴浓度之比ncni分别为0.9，0.6，0.3，薄膜在300 K温度时，M-H曲线呈磁滞状。Wang等人通过PLD方法在Si衬底上制备了薄膜，图5是x=0.1和0.125时薄膜的室温磁滞回线。Cong等人在2 K的温度下观察到的M-H曲线呈现磁滞状，样品表现为铁磁性，在2335 K的温度范围内M-T曲线上一直可以观察到样品的铁磁序，因而认为样品的居里温度在350 K以上。而NiO块材是反铁磁性的，耐而温度520 K，纳米NiO在低温区显示为弱铁磁性或顺磁性。同时，XRD和HRTEM显示样品中没有形成Ni团簇，所以NiO和Ni团簇不是铁磁性的来源。图5 A.J.Behana 等人制备的(a：x=0.1,b：x=0.125)薄膜的磁滞回线HPan等人15根据第一性原理与密度泛函理论计算并预言了C掺杂ZnO薄膜可能是室温DMS。随之通过PLD制备薄膜(x=0.01，0.05)，样品的居里温度为400 K，电阻率分别为0.195和0.108，载流子浓度分别为2.11018/cm-3和3.81018/cm-3，磁矩在1.53.0/C范围内，实验证实了他们的预言，也是首次制备的非金属掺杂ZnO稀磁半导体薄膜。ZnO：TM薄膜DMS材料之所以呈现出很大的差异，其本质原因可能是由于载流子的种类及其浓度、缺陷、磁晶各相异性、薄膜生长方式及其制备工艺等作用。ZnO基DMS材料还处于基础研究阶段，TM元素掺入ZnO晶格中，TM元素的离子半径和Zn2+ 离子半径相差不大，容易进入ZnO的晶格实现替位式掺杂。由于过渡金属(TM)离子的3 d电子轨道处于未填满状态，它们之间的耦合交换以及它们与ZnO导带电子的自旋交换可能是铁磁性来源。3 DMS的应用前景随着信息时代的到来，信息的处理、传输和存储越来越起着举足轻重的作用，这使得信息技术中存储信息的铁磁性材料的应用前景越来越受到关注。而DMS潜在的铁磁特性更使其在应用器件方面引起了广泛兴趣，虽然如此，但在实际操作中仍然存在着很多困难。从应用领域上来说，首先，ZnO是一种直接的宽禁带(3.37 eV)半导体材料，具有高达60 MeV的激子束缚能和300 cm-1的激子增益系数， 是实现紫外光电器件、发光二极管以及激光器最有潜力的半导体材料之一。其次，ZnO具有较高的介电常数(=7.510)和压电系数(=17 pm/V)，可用在声表面波器件、压电换能器方面等；此外ZnO还具有很好的压敏、气敏特性，在过压保护器、气敏传感器等方面己得到了广泛的应用；最后，ZnO原料来源丰富，无毒性，制备条件温和，化学稳定性好；最为重要的是，相关理论预言ZnO基稀磁半导体材料的可以达到室温以上，为自旋电子器件的发展提供了光明的前景。与ZnO传统的应用相比，ZnO基稀磁半导体材料有着更新的应用领域。因为兼具电荷和自旋两个自由度，使其在自旋电子学和光电子领域也展现出极其广阔的应用前景。ZnO基稀磁半导体极有可能成为新一代信息存储的载体：利用其电学性质，可以用来制作高速缓冲存储器，利用其磁学性质，可以制作出永久信息存储器；此外，ZnO基稀磁半导体在自旋阀、自旋二极管以及量子计算等领域也有格外重要的应用价值。在早期对稀磁半导体的研究中，人们的研究热点主要集中在由过渡金属离子替代阳离子的II-VI族复合物材料，比如：CdTe，ZnSe，CdSe，CdS等等。但是，由于临界温度过低、p-type或n-type掺杂困难等，这些II-VI族基稀磁半导体没有得到广泛的应用。由于理论预测有可能在过渡金属掺杂的ZnO中实现室温铁磁性，因而最近对ZnO基稀磁半导体的研究逐渐升温。目前，对于DMS的研究在理论、实验及应用上的发展都相当令人喜悦，许多小组都取得了成功。但是各种基于ZnO的DMS器件在许多问题上还没有统一的认识，同时实际应用中发现不同的制备方法得到的自旋电子器件其相差很大，且不能行之有效地控制磁性的大小。这些都将是未来自旋电子器件领域急需解决的问题。当然要使TM掺杂ZnO形成的DMS能够得到广泛应用，还需将铁磁性的来源分析得更清楚，而且还需要解决有效的自旋注入、运输和控制等问题，相信在不久的将来室温DMS会对人类的生活产生巨大的影响。4 结论ZnO薄膜作为第三代半导体功能材料，以其具有的光电特性和潜在的广泛用途已成为目前研究的热点，有许多文献报道了掺杂ZnO基稀磁半导体的研究进展。目前，ZnO基稀磁半导体材料的研究主要集中在两个方面：(1)优化生长参数，获得高质量的薄膜；(2)选择不同的掺杂元素与掺杂量，通过单掺杂或共掺杂，提高ZnO：TM薄膜的居里温度，奠定其应用的基础。ZnO：TM薄膜的磁性及其来源和居里温度存在着分歧和争议，而且居里温度的变化范围很大，薄膜制备的可重复率较低，铁磁性来源和机理分析还需要进一步的系统性研究。通过各种制备方法及不同制备工艺得到的ZnO薄膜的性能存在较大的差异，这些问题解决对于ZnO基稀磁半导体的应用研究至关重要。然而，共掺杂技术的引入将可能极大地改善了ZnO基薄膜材料的性能，是目前比较看好的技术，但共掺杂技术的理想工艺，掺杂的稳定性及机理还需进一步研究。参考文献1 Dietl T，Ohno HZener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductorJScience，2000，287(5455)：1019-10232 Ohno H，Matsukura F，and Ohno YSemiconductor Spin ElectronicsJSAP International，2002，5：4133 侯登录稀磁半导体的制备与性质J-物理实验 2005，25(8)：3-74 Fukumura T，Jin ZH W，Kawasaki M，et alMagnetic properties of Mn-doped ZnOJApplPhysLett，2001，78：958-9605 Jnng S W，An S J，Yi G C，et al Ferromagnetic properties of Zn1-xMnxO epitaxial thin filmsJApplPhysLett，2002，80：4561-45636 Kim Y M，Ycon M，Park I W，et alSynthesis and magnetic properties of Zn0.8Mn0.2O films prepared by the sol-gel methodJSolid State Commun, 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