【儀表網 研發快訊】稀磁半導體兼具半導體材料和磁性材料的雙重特性，是破解后摩爾時代難題的候選材料之一。美國國家科學研究委員會(National Research Council)早在1991年就指出稀磁半導體在信息通訊、處理和存儲等方面有著廣泛的應用前景。2005年《Science》創刊125周年之際發布的125個重大科學問題，其中包括“能否得到室溫鐵磁性半導體”。(Ga,Mn)As為代表的III~V體系，是稀磁半導體中最廣泛研究的材料。但是在這些材料中，(Ga3+,Mn2+)的異價摻雜同時引入自旋和電荷， Mn的含量難以有效提高，制約了材料居里溫度的提升。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心靳常青領導研究團隊在2011年提出了自旋電荷解耦摻雜實現稀磁半導體機制(Nature Communications 2, 422 (2011))，實現了電荷與自旋摻雜機制的分別調控。他們進一步拓展到層狀結構材料體系，將自旋與電荷分別注入到臨近層上，通過層間耦合實現磁電關聯引發長程鐵磁序。沿著這一材料設計思路，他們發現了居里溫度高達180K的(Ba,K)(Zn,Mn)2As2 (簡稱BZA)新型稀磁半導體，刷新了該類材料可控居里溫度至230K的記錄(Nature Communications 4, 1442 (2013)、Chinese Science Bulletin 59, 2524 (2014))。BZA稀磁半導體入選IEEE發布的面向自旋電子器件的演生材料路線圖，與(Ga,Mn)As并列2個稀磁半導體里程碑材料，并建議為實現室溫稀磁半導體和開展同結構多組合異質結的優選材料體系。
近期，靳常青研究員和鄧正副研究員指導博士生彭毅運用高壓熱處理技術，將BZA居里溫度提高到260K近室溫。高壓熱處理可以突破許多材料固溶度的限制，并穩定晶格畸變，他們成功提高了BZA的Mn摻雜濃度，達到了常壓Mn濃度的2倍，并同時保持了[MnAs] 四面體基元的規則構型。磁化率測量表明隨著Mn濃度的提高，BZA的居里溫度可達260K近室溫，矯頑力也隨著居里溫度的提升而提高。第一性原理計算認為如果相應地增加載流子濃度，最近鄰Mn之間反鐵磁相互作用將得到抑制，材料的居里溫度將有望得到進一步提高。這個工作表明高壓熱處理工藝可有效提升自旋電荷解耦摻雜的新型稀磁半導體的居里溫度，并且極有希望推廣至其它稀磁半導體材料，為實現稀磁半導體的室溫鐵磁性提供了一條全新路徑。
以上研究成果以“A near-room-temperature Curie temperature of 260K in a new type of diluted magnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2”為題，以封面文章的形式，發表在Advanced Physics Research上(DOI: 10.1002/apxr.202400124)。研究工作獲得國科大卡弗里理論所顧波教授和趙國強博士在材料性能計算上的密切合作，美國哥倫比亞大學Uemura教授參與了部分討論。項目受到中國科學院穩定支持青年團隊(YSBR-030)項目的支持。
圖：(a)成果入選封面文章 (b)BZA居里溫度隨自旋注入濃度提升的演化 (c)BZA長程鐵磁序引發的電性變化
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