[论文解读] Ferromagnetism in semiconductors and oxides: prospects from a ten years' perspective

T. Dietl|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 845

一句话总结

本文回顾了过去十年稀磁半导体（DMSs）和稀磁氧化物（DMOs）中铁磁性的演变，认为p-d Zener模型仍是理解III-V族和II-VI族体系中空穴介导铁磁性的稳健框架。研究指出，非随机分布的磁性阳离子以及与缺陷相关的自旋聚集是高温铁磁性的关键起源，主张采用先进的纳米表征技术解决长期存在的争议，并实现自旋电子学应用中可控的纳米复合材料设计。

ABSTRACT

Over the last decade the search for compounds combining the resources of semiconductors and ferromagnets has evolved into an important field of materials science. This endeavour has been fuelled by continual demonstrations of remarkable low-temperature functionalities found for ferromagnetic structures of (Ga,Mn)As, p-(Cd,Mn)Te, and related compounds as well as by ample observations of ferromagnetic signatures at high temperatures in a number of non-metallic systems. In this paper, recent experimental and theoretical developments are reviewed emphasising that, from the one hand, they disentangle many controversies and puzzles accumulated over the last decade and, on the other, offer new research prospects.

研究动机与目标

• 评估过去十年中稀磁半导体（DMSs）和氧化物（DMOs）中铁磁性的研究进展及未解难题。
• 阐明在无过渡金属掺杂的体系中，DMSs和DMOs中高温铁磁性的起源。
• 评估p-d Zener模型在描述空穴掺杂的III-V族和II-VI族半导体中磁有序行为时的有效性与局限性。
• 明确磁性离子团簇和缺陷相关自旋中心在介导铁磁行为中的作用。
• 概述通过调控磁性纳米晶在横向和纵向分布以工程化磁性纳米复合材料的未来研究方向。

提出的方法

• 应用p-d Zener模型，结合Kohn-Luttinger六带k·p哈密顿量及自旋轨道耦合，描述(Ga,Mn)As和p-(Zn,Mn)Te中的空穴介导铁磁性。
• 采用平均场近似计算热力学性质，包括居里温度（T_C）和应变下的磁各向异性。
• 采用先进的纳米表征技术检测磁性阳离子和磁性纳米颗粒的非均匀分布。
• 对价带空穴与非磁性缺陷或杂质上局域自旋之间的Zener型交换耦合进行理论分析。
• 研究接近Mott或Anderson金属-绝缘体转变的体系中双交换和Stoner型机制的作用。
• 将实验测得的磁化率数据与包含缺陷团簇、磁性团簇或残留纳米颗粒的模型预测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 p-d Zener模型在多大程度上能准确描述p型(Ga,Mn)As及其相关DMSs中的居里温度和磁各向异性？
• RQ2 在无过渡金属掺杂的情况下，名义上非磁性氧化物和半导体中观察到的高温铁磁性其起源是什么？
• RQ3 磁性阳离子的非随机分布以及缺陷相关的自旋中心如何促成所观测到的铁磁性行为？
• RQ4 能否通过最先进的纳米表征工具实验验证磁性纳米颗粒或缺陷团簇的存在？
• RQ5 通过调控磁性纳米晶分布，实现DMSs和DMOs中室温铁磁性的前景如何？

主要发现

• p-d Zener模型仍是理解III-V族和II-VI族DMSs中铁磁性的有效且具有预测力的框架，能成功描述应变下T_C和磁各向异性。
• DMSs和DMOs中的高温铁磁性更可能源于非随机分布的磁性阳离子及缺陷相关的自旋中心，而非本征的d电子交换作用。
• 可能在合成或后生长处理过程中引入的磁性纳米颗粒，可解释名义上非磁性材料中的铁磁性行为。
• 在许多高温T_C体系中，磁性与输运性质之间缺乏明确相关性，表明铁磁性并非由巡游载流子介导，而是由局域自旋团簇引起。
• 这种相关性的缺失意味着双交换或Stoner型机制不太可能是这些体系中主导的铁磁路径。
• 若能实现工作温度高于300 K的磁性隧道结等功能性自旋电子器件，将为DMSs和DMOs中本征自旋输运及长程铁磁有序提供有力证据。