41. 能否制造出室温下的磁性半导体?

Is it possible to create magnetic semiconductors that work at room temperature?

现今，人类工业技术的核心就是对电子的操控，主要的代表产品就是芯片（图1）。我们对电子的操控主要分为两大类，一类是和电子的宏观移动相关的电流和电压操控，统称电操控；另一类是和电子微观状态有关的跃迁（如电子跃迁、光电跃迁、光辐射跃迁等）和磁性操控（如自旋、铁磁等）。电和磁虽然理论上是统一的，但一直以来都是各自独立发展。电能的产生和利用来源于带电粒子全局的宏观移动，宏观的电荷移动也会产生宏观的磁场。而磁现象则主要来自于电子微观态的局域过程，比如天然磁石所产生的宏观磁场，来源于电子局域磁矩的宏观整合（如图2、图3所示）。虽然宏观的电磁是统一的，然而磁的产生并非完全来源于电荷的运动，比如电子的自旋磁矩不能对应于电荷的任何空间运动，其本身就是电子内在的自旋属性（有人因此认为磁的本源是独立于电荷而提出磁单极子或磁荷的概念），所以材料的电性质和磁性质本身就是两类具有某种独立性质的物质属性。

图1 芯片技术对电子的电操控

电场控制的技术主要是基于半导体材料在电场作用下可以改变的电学属性，从而实现对电流大小和强度的操控，所以电操控主要用于信息的处理，而半导体材料中的硅成为电子工业的基础材料，这就形成了所谓的硅基工业体系。而磁控制技术则是基于铁磁性材料（见图2），其在磁场作用下可以改变材料磁场的方向和大小，主要用于信息的存储和感应（如图3）。所以半导体材料和铁磁性材料的发展基本上也是分离的，半导体材料良好的电控性质往往对应其具有非常差的磁性操控性质，相反良好的磁性材料往往在电学性质方面不够优越。

图2 磁性材料的微观结构和磁的自旋操控

材料的电控性能主要表现为材料对电场的响应，即极化。理解材料电学性能的主要模型就是原子的电偶子模型，对应于中性原子正负电荷中心的分离程度。而材料的磁性主要指材料对磁场的响应，即磁化，理解材料磁性能最主要的模型就是原子的磁偶极矩模型。磁性材料磁化产生磁场的本质来源于组成材料的原子磁矩。所以根据磁化响应，磁性材料主要分为顺磁材料、抗磁材料和铁磁材料。原子的磁矩分为原子核的磁矩和电子的磁矩，而电子的磁矩来源有电子轨道运动的轨道磁矩（分子电流磁矩）和自旋磁矩。所以原子的磁偶极矩和电偶极矩在原子层面显然是两类非常不同的性质。除了电子轨道分子电流的磁矩和电荷的运动相联系外（比如顺磁体和抗磁体），其他的原子磁矩来源于原子核和核外电子的自旋分布，所以对于铁磁类材料，其本质和原子自旋关系密切。所以本质上原子的空间电荷分离性质和原子的磁矩作用性质是相互独立的，它们之间只存在微弱的自旋-轨道耦合相互作用。

图3 用于信息存储的磁带及其磁性材料的磁畴磁化

鉴于以上的微观机制，电和磁的控制一般很难集中在一个材料中。如果我们可以利用电场直接去控制自旋磁矩，那么所谓的自旋电子学的器件将会做得非常小，比如直接利用电场去控制原子甚至电子的自旋进而实现大规模的量子计算，将会极大地推动人类社会的发展。所以这个事情从另一个角度讲就是我们可否能够制造出室温下的磁性半导体（magnetic semiconductors）材料，从而实现直接用电场操控原子甚至电子自旋的目的，将信息的处理和存储可以在同一个材料中进行。

图4 磁性材料2023年的最新综述文章

表面上这个目标显得非常容易，因为我们可以直接将铁磁性原子惨杂到半导体材料中就应该能制造出磁性半导体材料，然而现实是制造室温下的磁性半导体材料的道路困难重重。其实开始很多科学家也是按照这个逻辑去寻找磁性半导体材料的（如参杂过渡金属铁磁元素锰或稀土元素制造半导体砷薄膜，具体可参考文献图4），但实践表明这些所谓的稀薄磁性半导体材料（Diluted Magnetic Semiconductor）的磁性只能在低温条件下才能保持，在正常的室温下其仅仅是普通半导体而不具有达到应用价值的磁学性质。

图5 磁性半导体材料及居里温度

现在的磁性半导体除了参杂的稀薄磁性半导体材料之外，就是不通过参杂磁性元素而直接合成的磁性半导体材料，比如硫族铕和半导体尖晶石，材料自身就存在周期性的磁性元素阵列，但遗憾的是这种磁性半导体材料在室温条件下依然不具有良好的磁学性质。尽管室温下磁性半导体材料的制备非常困难, 但近年 (Ga, Mn)As、LiZnMnAs和金属氧化合物（参考论文图6）等典型磁性半导体的居里温度正在逐渐向室温靠近，于是就产生了这个科学问题：我们能否最终制造出室温下具有应用价值的磁性半导体材料？继而实现利用磁性半导体器件对巨型原子(甚至单个原子或电子)自旋的快速操控。

图6 金属氧化复合材料

后记补充：其他详资料可参考“半导体学报 2019年第8期——磁性半导体的机遇与挑战专刊”，该专刊论文提供了截至2019年关于磁性半导体更专业的知识和更详细的参考文献。