Nature子刊：可爱的氧—通过氧化金属玻璃获得高居里温度的磁性半导体

【引言】

磁性半导体（MSs）在新功能和设备概念设计等都有着很大的前景，因其可同时由电荷与自旋性质来进行有效调控，由此将在未来自旋电子和电子应用领域大展身手。目前，稀磁半导体（DMSs）吸引了研究者们的研究兴趣，然而目前存在的挑战主要是要获得高于室温的居里温度的材料，使其能在室温下使用，尤其是一些III–V型半导体。

现有制备稀磁半导体的方法主要是向传统半导体中掺入磁性元素，典型例子是磁掺杂的GaAs系统，其有相对高的居里温度，可达到200K。虽然，有报道了一些居里温度高于室温的DMSs体系，但磁性的分布为非均质，获得的铁磁性也较传统铁磁材料差。

【成果简介】

清华大学陈娜教授（通讯作者）等人不同于往常向传统半导体中掺入磁性元素制备DMSs的方法，通过氧化原有的铁磁金属/合金来形成新型磁性半导体。向铁磁金属玻璃（MG）中引入氧，发生氧化形成Co_28.6Fe_12.4Ta_4.3B_8.7O₄₆磁性半导体，居里温度可达600K。并证实这种材料出现的p-n异质结以及电场控制室温铁磁性反映出p型半导体特性，载流子迁移率达0.1cm²V^-1s^-1。这项研究也将为实现具备不寻常的多功能高居里温度半导体开辟新途径。

【图文导读】

图一、从铁磁金属玻璃中形成无定形金属氧化物

(a) 薄膜沉积示意图。

(b) 铁磁体(FM)-非铁磁体(NFM)体系氧化机制。

(c) 单相Co₄₄Fe₂₀Ta₁₀B₂₆O MG带和单相Co_28.6Fe_12.4Ta_4.3B_8.7O₄₆无定形金属氧化物的高倍TEM图像。内嵌图分别为MG带和无定形金属氧化物相应选区电子衍射图。比例尺为5nm。

图二、a-CFTBO薄膜的性质

(a) a-CFTBO和MG薄膜在25nm相同厚度下的光透射图谱。左嵌图为a-CFTBO薄膜投射谱的测试极板。右嵌图为其室温光致发光谱。

(b) 温度-电阻率ρ₀图（ρ₀为室温电阻率）。内嵌图为基于实验数据获得的ln(ρ₀)^-1/T^1/2图。

(c) 不同温度下的M-H曲线。

(d) 面内磁场H=100 Oe下的M-T图。

图三、p型a-CFTBO MS的磁传输特性

(a) 1mA下，霍尔电阻Rxy-磁场H图，主要源于反常霍尔效应。

(b) 通过测量作用场平行或垂直于电流方向的电阻改变（MR//或MR_┴表示），得到各向异性磁电阻-磁场图。

图四、p型a-CFTBO MS的p-n型异质结的制备

(a) Au(10 nm)/p型a-CFTBO(300 nm)/n型Si(300m)/ Au(10 nm)的p-n型异质结结构的制备图示。

(b) Au (10 nm)/p型a-CFTBO(300 nm)/n型Si (300 mm)/p型a-CFTBO (300 nm)/Au (10 nm)的p–n–p结构图示。异质结使用的n型单晶Si大量掺杂了P，电阻在10^-3Ω cm数量级。

(c) p-n异质结的I-V曲线。内嵌图为曲线所选矩形区的放大图。

图五、电场对a-CFTBO MS铁磁性的控制

(a) 通过一滴离子液体在a-CFTBO薄膜施加栅电压的实验装置图。绝缘HfO₂层的厚度大约2nm。

(b) 在正栅极电压下，电力诱导的载流子浓度的降低图示。

(c) 在负栅极电压下，电力诱导的载流子浓度的增加图示。

(d) 300K下，不同栅极电压下的M-H曲线。a-CFTBO薄膜厚度为50nm，左嵌图为不同栅极电压下，厚度为50nm的a-CFTBO薄膜的M/M_s(0)-H曲线，M_s(0)为不施加栅电极时的饱和磁场。右嵌图为矩形选区的放大图。

【小结】

对MGs而言，氧常为一有害的杂质元素，因其对玻璃的形成能力及机械性质均会带来不利，这大多与晶体氧化沉积有关。但是，在此次研究中，氧却充当了一个可爱的元素，是将MG导体转型为无定形半导体的调剂。这一特性使材料能结合多功能特性，包括光、电、磁。同时，向铁磁无定形金属中引入如氧类的轻原子为高居里温度的MSs的制备开辟新道路，这将有利于MS基自旋/电子设备早日实现室温下运行。

文献链接：A room-temperature magnetic semiconductor from a ferromagnetic metallic glass（Nat. Commun.，2016，DOI：10.1038/ncomms13497）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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