东京科学研究所开发出一种铁磁半导体 (FMS) 居里温度高达 530 K

今日快讯 2025年07月08日 10:21 0 admin

由范南海教授领导的东京科学研究所科学家团队开发出一种铁磁半导体 (FMS)，其工作温度比迄今为止报道的任何同类材料都要高。根据发表在《应用物理快报》（第126卷，第16期，2025年4月24日）上的研究成果，该材料的居里温度 (TC) 高达 530 K，远高于室温。

居里温度是铁磁材料（如铁或某些半导体）失去其永久磁性并变为顺磁性的特定温度。FMS材料以其兼具电学和磁性而闻名，这使得它们在利用电子电荷和自旋的自旋电子器件中前景广阔。其中，Fe掺杂的窄带隙III-V族半导体（例如(In，Fe)Sb和(Ga，Fe)Sb）因其高TC潜力而脱颖而出。然而，在不破坏晶体结构的情况下引入大量铁等磁性元素一直是一个巨大的挑战。

在早期的尝试中，(Ga，Mn)As 等材料的 TC 值较低，无法在室温下有效使用。虽然过去的研究成功将 TC 控制在 420 K，但这仍然不足以实现稳定的实际运行。

在这项新研究中，东京团队找到了解决这个问题的方法。他们采用一种名为“阶梯流生长”的技术，在略微倾斜（约偏离轴10°）的GaAs (100)衬底上生长了(Ga，Fe)Sb薄膜。这种方法允许他们在不破坏材料结构的情况下添加高达24%的Fe。

利用这项技术，他们制作出了 (Ga₀.₇₆Fe₀.₂₄)Sb 薄膜，其居里温度在 470 K 至 530 K 之间，这是迄今为止 FMS 研究中所报告的最高温度。

海教授表示：“在传统的(Ga，Fe)Sb样品中，在高Fe掺杂水平下保持晶体性一直是一个难题。通过在邻位衬底上应用阶梯流生长技术，我们成功解决了这一难题，并在柔性制造系统（FMS）中实现了全球最高的TC。”

为了确认磁性行为，研究小组使用了磁圆二色性光谱法，该光谱法可以检查光如何与自旋极化电子态相互作用。他们还使用 Arrott 图分析了磁化数据，Arrott 图是一种用于精确定位材料磁性温度的技术。

样品中每个 Fe 原子的磁矩测量值约为 4.5 μB，接近闪锌矿结构中 Fe³⁺ 离子的理想磁矩 5 μB。这大约是普通铁金属 (α-Fe) 磁矩的两倍。

他们还测试了其长期耐久性。9.8 纳米的薄膜在露天存放 1.5 年，虽然 TC 略微下降至 470 K，但仍表现出强磁性。

海教授补充道：“我们的研究结果证明了制造兼容室温操作的高TC柔性制造系统（FMS）的可行性，这是迈向自旋电子器件的关键一步。” 这项研究表明，通过精细控制生长方法和材料设计，可以为未来基于自旋的电子学或自旋电子学带来更实用、更强大的半导体。

如果你想知道它的特殊之处，自旋电子学承诺几乎无待机漏电、低功耗、惊人的耐用性和卓越的读写性能，所有这些都集成在一个非易失性封装中，据说可以轻松与现有的CMOS电子电路集成。基于自旋的磁阻RAM (MRAM) 也是一种通用存储器的候选方案。

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