Nature Communications：日本东京大学科学家首次在Mn掺杂GaAs材料中发现：伴随铁磁相变过程中，能带有序的快速恢复

引语：

半导体中能带的有序是决定载流子波函数的移动性和连续性的重要影响因素，因此也是决定器件性能的一个重要因素。然而在重掺杂的半导体当中，杂质相的存在会不可避免得影响能带有序性，进而降低半导体的性能。目前几乎所有的研究表明随着掺杂浓度的提高，会使得材料中能带有序性受到干扰，降低载流子波函数的移动性或连续性。

成果简介：

近期，来自日本东京大学的Iriya Muneta（通讯作者）、Shinobu Ohya（通讯作者）和Masaaki Tanaka（通讯作者）首次报道了在Mn掺杂GaAs体系中（（Ga，Mn）As）的反常现象。研究发现当Mn掺杂量稍微超过0.7%，Mn掺杂GaAs材料会出现能带有序的快速恢复，这个现象在一般的掺杂半导体材料体系中很难被预测到。同时该现象的发生会伴随着铁磁性相变的转变，而铁磁性相变的出现被认为是在调控有序能带结构过程中扮演着重要作用。

该项研究结果的发现为半导体基超高速量子自旋效应器件的实现提供了可能。

图文导读：

图1. Mn掺杂GaAs材料在伴随铁磁性相变过程中价带能带有序性恢复的具体图解。

图1. (a,c,e)中的蓝色波形代表价带空穴布洛赫函数的平面波包络函数的图形，大的红色自旋图形代表定域Mn的d轨道自旋。小的蓝色自旋图形代表定域p-空穴，它和Mn的d轨道之间发生反铁磁性交换作用；(a)图代表顺磁性状态，(c)图代表刚发生铁磁性转变过程前的顺铁磁性状态，(e) 图代表铁磁性状态；(b,d,f)图分别是当GaMnAs处于顺磁性(b)、刚发生铁磁性转变过程前的顺铁磁性状态 (d)以及铁磁性状态(f)时的价带色散曲线（蓝色曲线）和无色散水平能带，这里的红色虚线代表费米能级；(a,c)图所示在顺磁性状态中，价带空穴波函数会被杂质原子所干扰，因此在(b,d)中，价带有序性也会受到干扰；(e)图所示在铁磁性状态，价带空穴波函数对于单个Mn原子的变化不敏感；(e)图所示价带空穴波函数能连续进入晶体中，并能建立起有序的价带结构。

表1. 表中所示是该研究中样品的一系列具体参数。

x代表Mn掺杂浓度，y代表顶部电极中Mn的掺杂浓度，d代表量子阱的厚度，T_s代表生长温度，T_c代表居里温度。

图2. 器件结构的图解和共振隧道光谱原理。

该研究所使用的器件由以下组成：( Ga1 yMnyAs (20 or 50 nm)/AlAs (6 nm)/Ga1 xMnxAs QW or GaAs:Be QW (d nm)/AlAs (6 nm)/GaAs:Be (100 nm) on a p þ GaAs (001) substrate for samples A–M and P–Y (a) and GaMnAs QW (d nm)/AlAs (5 nm)/GaAs:Be (100 nm) on a p þ GaAs (001) substrate for samples O1–O3 )；(c,e)代表GaMnAs量子阱中双势垒均匀结构中价带示意图；(d,f)代表理想情况下偏压和谐振水平(resonant levels作为d的函数)之间的函数关系，图示的函数曲线趋于一个固定值，其对应于价带顶端能量值，如果该固定值在负偏压区域，则GaMnAs材料中的费米能级处于禁带中。

图3. Mn掺杂量x和能带有序之间相互关系的结果预测

(a-f)图中颜色标注的示意图是代表不同Mn掺杂浓度( x = 0.03, 0.3, 0.55, 0.9, 1.6, 2.3%)下的d²I/d²V与量子点厚度(d)和所加偏压之间的函数关系。当掺杂浓度从0.03%提高到0.55%时，函数振幅减弱，但是当浓度超过0.9％，铁磁相变发生后，函数振幅又恢复。(g)图为不同Mn掺杂浓度下的样品d²I/d²V与偏压V之间的特征关系曲线（此时d为11nm），图中的黑灰色箭头分别表示第三个波谷和波峰。(i)图中d^＊表示为在第一个heavy hole的波谷和第一个light hole的波峰之间的d值。正方形表示顺磁性的数据，圆形的表示铁磁性的数据。

图4. 具有不同Mn掺杂浓度和居里温度(T_c)的样品中温度和共振隧道效应之间的关系比较。

(a-c)图中颜色标示图代表着样品O3(Mn掺杂浓度为6%，居里温度为132K，T_max为60k)，O2（Mn掺杂浓度为3.6%，T_c为86k，T_max为50k）和Y（Mn掺杂浓度为1.3%，T_c为35k，T_max为20k）的d²I/d²V量子点厚度d以及施加的偏压V之间的函数关系。(d)图表示T_c与T_max之间的联系，图中的字母代表本实验中的不同样品。

论文链接：Sudden restoration of the band ordering associated with the ferromagnetic phase transition in a semiconductor

PDF参考原文：supplemental materials

文章由材料人新锐编辑X.K.提供，材料牛编辑整理。

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