全球最薄透明磁性半导体问世

上一篇 / 下一篇  2011-07-25 21:50:39

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日本物质材料研究机构(NIMS)现已开发出一种新型薄膜状透明磁性半导体(图1),如果采用多层结构,在紫外线到可见光区域具有很强的磁光效应(Magnetooptic Effect)。准备将其应用于使用波长不足500nm短波长光的大容量光通信和光信息处理元件。

原料为光触媒TiO2
  
    NIMS此次开发的半导体是通过在Ti1-δO2(即将业界知名的光触媒材料TiO2做成薄膜状)中添加Co和Fe磁性元素而制成的 Ti0.8Co0.2O2和Ti0.6Fe0.4O2(以下以Ti0.8Co0.2O2为代表)。厚度约为1nm,“作为透明磁性材料,在迄今开发的材料中最薄”(NIMS物理研究所软化学研究小组主任研究员长田实)。将这种材料重叠10层后,结果对红外线至可视光(波长为280~380nm)区域的光线表现了很强的法拉第效应(Faraday Effect)及克尔效应(Kerr Effect)。
  
    法拉第效应和克尔效应均为磁性体和光相互作用而表现出的一种磁光效应。前者是指通过磁性体的光线偏振面发生旋转的现象,现已应用于光纤通信使用的光隔离器(Optical Isolator)等领域。而克尔效应则是磁性体反射的光偏振面发生旋转的现象,现已应用于MO光盘的数据读取等用途。
  
    法拉张效应是现有材料的10倍
  
    Ti0.8Co0.2O2大体上具有如下4个特点:(1)具有磁光效应的波长(响应波长)短,为280~380nm;(2)磁光效应强度高;(3)可通过改变添加的磁性元素各类和层叠数,控制其特性;(4)易于实现多层结构。
  
      作为特点(1)所说的响应波长,Ti0.8Co0.2O2比现已在光隔离器领域得到实际应用的YIG和GdBiIG等石榴石类材料(1.3~1.5μm),以及CdMnTe等现有磁性半导体(0.6~1μm)都要短(图2)。因此,有望应用于传输容量大于现有方式的光隔离器和数据记录密度较高的MO光盘等使用波长500nm以下光线的光通信和光信息处理元件。
  
      特点(2)是指,10层Ti0.8Co0.2O2所表现出来的法拉张效应强度(法拉第旋转角)为10000度。由此表明,光线在 Ti0.8Co0.2O2中每行进1cm,偏振面就会旋转10000度。大约相当于响应波长1.3~1.5μm的GdBiIG的10倍。

通过改变添加元素和层叠数,控制特性
  
     特点(3)是指,通过改变所添加的磁性元素各类和层叠数,能够控制法拉第旋转角、响应频度等特性。比如,通过交替层叠Ti0.8Co0.2O2和 Ti0.6Fe0.4O2,并改变不同的层叠数,有望扩大响应波长。“得到的数据表明,在新一代光盘所使用的蓝光(波长450nm)条件下能够产生很强的磁光效应”(长田)。
  
     特点(4)是指,能够按照下面的步骤轻松形成多层结构。首先,将玻璃底板浸入带正电荷的高分子溶液。然后,将玻璃底板从高分子溶液中拿出来,浸入 Ti0.8Co0.2O2溶液中。由于Ti0.8Co0.2O2带负电荷,因此就会因静电吸力而吸附到随着在玻璃底板上的高分子膜上。按照这样的步骤即可形成单层层叠,如此反复,就能形成能够得到所需特性的层数(图3)。而要想改变石榴石类材料和现有磁性半导体材料的特性,则必须改变层叠膜的组成和结晶结构。

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