电荷与自旋的联姻：磁性半导体（上）

来源：现代物理知识杂志

王海龙1,2 赵建华1,2  

1.中国科学院半导体研究所；

2. 中国科学院大学光电科学与技术学院

上古时代，人类祖先就见识了电闪雷鸣带来的感官震撼，而摩擦起电和静电积累现象则不断激励人们去接近直至揭示其中的物理规律。从富兰克林风筝引电证明闪电与静电无异，到库仑提出平方反比定律指出电力与引力同形，标志着人类开始摆脱对电的原始崇拜与畏惧，迈进了电学研究的科学时代；从伏特制造电池提供连续高强度电流，到欧姆定律问世给电路设计带来巨大便利，意味着人类学会了主动利用和创造，电学研究步入了发展的快车道。

同样的时空里，磁学现象亦早早给人类带来了诸多惊喜——华夏民族的祖先就已经学会利用磁石制造司南，据传在炎黄大军征战四方的过程中发挥了重要作用，留名于世。

电和磁，看似风马牛不相及，却在奥斯特、安培和法拉第等科学家的努力探索中被揭开了“一体两面”的神秘面纱。随后，凭借过人的天赋，麦克斯韦更是洞察到了位移电流的隐秘存在，将电与磁的奥秘永远地写入了惊世骇俗的麦克斯韦方程组中，预言了电磁波的存在，激励后人孜孜不倦的找寻。直到1888年，赫兹十年磨一剑，终于在他密不透光的实验室中观察到由电磁波激荡而出的跳跃火花，向世人揭示了光的电磁波本质，为无线电通信和信息时代的到来开启了大门。

虽然早期电磁学领域里那一长串闪亮的名字至今仍光芒四射，但他们的研究成果却似乎仅止步于宏观。实际上，微观世界中的电子直到1897年才被英国物理学家汤姆孙发现，而单个电子电荷量的具体数值则要等到十余年后由密立根油滴实验大致确定。不久，物理学迎来了量子力学和相对论大放异彩的年代，半导体物理、材料、器件、加工工艺和集成技术的发展更是为电荷器件提供了绝佳的舞台，在指尖操作大行其道的今天，可控电荷流在实现信息的操作与存储过程中着实功不可没。

生活于令人振奋的物理学新纪元里，科学家们开始着手利用新建立的量子力学微观理论揭示复杂的磁学现象。海森伯交换相互作用概念的提出固然是天才般的想法，但更为深刻的基本物理内涵则似乎应该归功于沉默寡言的狄拉克——正是这位被誉为“世界上最奇怪的人”注意到薛定谔方程中对时间求一次偏导的特点，成功给出了相对论性的量子力学方程，将自旋纳入了正统。从此，自旋概念不再是克罗尼格提出电子自旋想法时泡利批判的对象，也不再是艾伦费斯特安慰爱徒乌伦贝克和古德斯米特时口中所说的“年轻人总是会犯的错”，亦不再是解释斯特恩-盖拉赫实验时飘忽不定的注脚，它成为了有源之水，根正苗红。基于电子自旋的概念，不仅很多长程磁有序现象得到了完美解释，在诸多场合下自旋甚至成为了磁性的代名词。进一步地，研究和利用电子自旋在材料中的行走规律还催生了巨磁阻和隧穿磁阻等效应的发现，在短时间内极大提升了磁盘的信息存储密度，拉开了自旋电子学研究的帷幕。

如果说麦克斯韦方程在宏观上统一描述了电磁学的基本物理规律，那么在微观层面，自旋则好似量子力学引入的一个异数——它没有经典对应，不能被看作是电子在“自我旋转”；它自成一派，用自己的方式展现磁性，似乎违背了安培分子环流假说……即使抛开哲学思辨层面上的讨论，先贤们历经艰辛建立的电磁统一理论也好像并未让人们在实践中有效地将电子电荷与自旋同时利用起来。那么，如何更好地综合上述两者的优势呢？方案当然有很多种，其中一个回答便是，去寻找或创造具有宏观磁性的半导体，即获得“磁性半导体”！

首先蹦进科学家脑海的想法非常直接：自然界中是否本身就存在兼具磁性和半导体特性的材料呢？令人苦恼的是，已有的半导体明星材料如Si、Ge、SiC、GaAs、InAs、InP、ZnSe 和CdTe 等都是非磁性的，这些元素的任意组合也丝毫看不到实现宏观磁性的可能性。这其实不难理解，虽然组成这些材料的单个原子大多都是带有净磁矩的，但是在形成固体的过程中这些贡献磁矩的电子通常会相互配对，使得磁矩相互抵消，反而失去了磁性。很明显，若原子能在形成固体的过程中将这些未配对的电子很好地保护起来，那么就能让材料具有宏观磁性了。这些原子其实还不少，即使简单一瞥元素周期表也能看到它们的身影，如Fe、Co、Ni、Eu、Gd、Tb和Dy等都是单质铁磁材料。其中，Fe、Co 和Ni是3d过渡族金属，Gd、Tb和Dy则是4f稀土元素，而3d和4f电子都被处于外壳层的s或p电子“保护”起来，得以在原子成键的过程中仍然维持自身的大部分特征。

基于上面的分析，经过一番仔细寻找便能发现，确实有少数珍宝能够实现人们结合磁学和半导体特性的想法，例如岩盐结构的EuO和EuS 及尖晶石结构的CdCr2S4和CdCr2Se4等(如图1所示)。不难看出，这些材料的化学式中包含了Eu或Cr元素，意味着它们的每个周期性单元中都包含有至少一个过渡族金属原子。正因如此，这些材料后来被称之为“浓缩磁性半导体”的材料，简称“浓磁半导体”。从理论角度看，这些材料好像已经满足了我们的要求，然而实际情况却远非这么简单。细心的读者可能已经想到，这些材料之所以需要让科学家们费心寻找，很可能并不是“怀才不遇”，而是因为它们在大浪淘沙中消失了踪影，无人问津。这些浓磁半导体不仅无法与主流半导体兼容，同时在制备高质量异质结和载流子掺杂上也遇到了很大困难。如此一来，即使想要以它们自己为主要体系开发各种半导体器件也难以如愿。从磁性角度看，它们的居里温度较低，通常大多小于液氮温度(约零下196摄氏度)，进一步提升其居里温度的努力也基本以失败告终，逐渐失去了吸引力。

现成材料不能满足要求，那只能去设计并合成新的材料了。（未完待续）

图1典型浓磁半导体的晶体结构示意图，其中Eu和Cr 原子贡献局域磁矩（带有净自旋），已用箭头标出。(a)  岩盐结构EuS；(b) 尖晶石结构CdCr2Se4，不难看出尖晶石结构比常见半导体的闪锌矿和纤锌矿复杂得多

本文选自《现代物理知识》2019年第1 期   时光摘编