18.与磁共舞

要实现自旋电子学的目标，企图将长期储存和逻辑运算集成到同一块芯片上，首先要有合适的材料。传统集成电路主要使用硅、锗、砷化镓等材料，这些半导体材料并不具有磁性。而制造硬盘一类长期储存器件时，储存单元使用的是磁性金属或薄膜。因此，上世纪90年代以来，物理学家一直在考虑：如何将半导体材料与磁共舞，研制开发出既有磁性特征，又有半导体特征的新型材料。

本节中简单介绍几类对自旋电子学颇具潜力的材料。

1） 半金属磁体（half-metallicmagnet）

读者应该还记得，在第11节（半导体的能带）中，我们曾经介绍过用费米能级在能带图中的位置来判断材料的电荷输运性质，区分金属、半导体、和绝缘体。同样的原理也可以用来判断材料对两种不同的自旋电子的不同输运性质。

图18.1：费米能级在电子能带图中的不同位置决定了材料性能

在图18.1a最左边两种情况中，金属的费米能级（红线）穿过尚未被充满的导带，表明材料中具有自由传导电子，能够形成电流，故而使金属具有良好的导电性。对于图a右边的绝缘体或（本征）半导体而言，费米能级位于禁带中，表明缺乏载流子而不能导电。在图a的能带图中，只关心电荷的输运，没有考虑材料的铁磁性，因而对电子的两种自旋态是一视同仁，不加区别。

从图18.1a中还可以看出，绝缘体或半导体可以说并无本质区别，只是禁带的宽窄而已。当然，正是这种区别造成了半导体材料对光照、掺杂等条件的敏感性而能加以利用。但在有些文献中不加区别地将它们统称为绝缘体，我们有时也会这样，在此提醒读者注意。

如果材料具有磁性的话，电子的两种自旋态的能带图产生分离，因而通常用一个图的左右两侧分别表示“上自旋”电子的能态密度和“下自旋”电子的能态密度，如图18.1b所示。

图18.1b最左边对应的是非磁性金属，由于没有磁性，电子两种自旋态的输运性质是一样的，两者能态密度图的形状相同，左右对称，这和18.1a最左边的金属情形等价。

图18.1b中间图所表示的是普通铁磁体的情况，铁磁性使“上自旋”和“下自旋”电子的能态密度不对称。在图中的费米能级附近，“上自旋”电子数大于“下自旋”电子数。这也和铁磁体中磁性的来源有关。

通常可以用电子的“自旋极化率”P来定量地表示材料中电子自旋沿某个方向的极化程度。极化率定义为上旋下旋电子数之差，相对于总电子数的百分比：

$P = \frac{Nup - Ndown}{Nup + Ndown} " style="font-family:simsun;line-height:18px;text-align:center;$

从图18.1b不难看出，对非磁性金属，因为上自旋和下自旋的电子数相等，所以在费米能级处P = 0；而对于铁磁体，在费米能级处上自旋的电子数多于下自旋电子数，因而0<P<1；一般铁磁体中电子极化率的值在30%到50%之间。

再来看图18.1b最右边的图，它的形状与众不同，表示了一种特殊而有趣的能带结构。如果你将此图与图18.1a中的金属及绝缘体的能带图相比较，就会发现，它是两者的结合。左半部分上自旋电子的子能带是金属性的，而右半部分下自旋电子的子能带是绝缘体（或半导体）的。人们将这类材料叫做半金属磁体。也就是说，这种材料对上自旋电子来说是金属，因为费米面附近有上自旋的传导电子；而对下自旋电子来说是绝缘体，因为费米面在下自旋子能带的禁带中。

半金属铁磁体在1983 年被荷兰Nijmegen大学的deGroot等人首次发现^【1】。

特殊的能带结构带来了特殊的性质，半金属磁体的重要特性之一就是能得到完全自旋极化的传导电子。这是显而易见的，因为从图18.1b最右边的图中，可以得到N_down = 0，然后，根据自旋极化率的定义便有（P=100%=1）。这在自旋电子学中是个很有用的性质，下一节中将会继续讨论这点。

2）稀磁半导体（Dilutedmagnetic semiconductors, DMS）

半导体材料的优点之一就是对掺杂的敏感性。掺进少量的杂质就能大大地改变材料的性能。pn结的发现就是反映这种敏感性的典型一例。现在，我们要利用与物质磁性有关的电子的自旋，物理学家们很自然地想到，如果能在非磁性化合物半导体材料中，掺进一些磁性物质，是否就有可能形成一种同时具有半导体特性和磁性的新型功能材料呢？

换言之，能否将Si，GaAs 这些在目前集成电路中技术成熟的半导体材料经过掺杂而变成磁性材料呢？半导体材料有了磁性，才能对电子自旋加以控制和利用，而自旋不仅仅是电子的内禀特性，也是光子的内禀特性，电子和光子可通过它们的自旋相互作用，这样就有可能从磁性半导体材料制备出集磁、光、电于一体的新型半导体电子器件来。

稀磁半导体就是指非磁性半导体中的部分原子被铁磁性金属元素取代后而形成的一种磁性半导体材料。

图18.2：稀磁半导体（Ga，Mn）As的构成

稀磁半导体的历史可以追溯到20 世纪的60 年代前苏联和波兰科学家的研究。后来，在1986年由T. Story带领的团队在对材料居里温度的控制方面做出了突出贡献^【2】，使稀磁半导体走向实用。

如图18.2所示的（Ga，Mn）As稀磁半导体，就是由常用的半导体材料砷化镓（GaAs）掺进具有磁性的锰原子而构成。掺杂了磁性原子之后的新材料仍然保持原来砷化镓的面心立方晶格结构，只不过由少量锰原子随机地取代某些Ga原子而已，就如原来砷化镓中掺入锌原子以形成p型半导体类似。

目前，对各种磁性半导体材料的研究方兴未艾。半导体比较金属而言，有许多优越之处。比如，电子在半导体中的平均自由程（10μm 数量级）比在金属中（10nm 数量级）大得多，这对于构建自旋电子学的器件十分有利。

我们知道，在金属材料中，只有电子是导电的载流子；在目前广泛应用的传统半导体中，可以存在电子和空穴两种载流子；而在磁性半导体材料中，则可以有4中不同类型的载流子：“上自旋”电子、“下自旋”电子、“上自旋”空穴、“下自旋”空穴。载流子种类的增多使得器件设计工程师们可控制的自由度增加。在自旋电子学中，既可利用电场，又可以利用磁场，来控制4种载流子的输运，从而构建更好、更多功能的电子器件。此外，稀磁半导体的巨磁阻现象，可用于制造具有磁性存储和记忆功能的逻辑运算电路，更好地模拟人类大脑，促进人工智能的研究。

预祝半导体与磁共舞，其乐无穷。

【1】“New Class of Materials: Half-Metallic Ferromagnets” R. A. de Groot, F. M. Mueller, P. G. van Engen, and K. H. J. Buschow,Phys. Rev. Lett. 50, 2024-2027 (1983).

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v50/i25/p2024_1

【2】"Carrier-concentration–induced ferromagnetism in PbSnMnTe". Story, T.; Gała̧zka, R.; Frankel, R.; Wolff,P. (1986). Physical Review Letters 56 (7): 777.

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