揭示半导体纳米线本征铁磁特性

上一篇 / 下一篇  2011-08-24 11:33:08

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香港中文大学的科学首次揭示半导体纳米线的本征铁磁特性,为磁性半导体的发展迈出了重要一步。此项突破性的研究发现为半导体物理学及纳米技术的发展开辟崭新领域,有望可大大提升计算器科技,以研制具备更快运算速度、更大储存容量且更低耗能的计算器。这项研究已刊载于最新一期的网上版国际权威杂志《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)。

中大物理系李泉教授和电子工程学系许建斌教授所领导的研究小组证实,钴掺杂氧化锌纳米线具有本征铁磁特性,具微细磁铁棒的功能。小组分析了两种样本的结构、光学和磁学性能,分别为钴掺杂氧化锌纳米线(由中大制备)和铁掺杂氧化锌纳米线(由德国Jena大学CarstenRonning教授的研究小组制备)。研究小组随后利用一种能区分本征铁磁和非铁磁特性的纳米显微学磁性表征技术对两组样本进行单根纳米线的检测。李泉教授说:“我们发现钴掺杂样品具备本征铁磁性能,但是铁掺杂样品则没有。”这项崭新发现可归功于中大研究人员创新地运用了两种分析方法,即透射电子显微术和电子磁圆二色性技术。

李泉教授表示:“磁性半导体纳米线的制备至今仍被视为基础研究。但是从中长期发展来看,我们相信有关研究可以开启自旋电子学通向实际应用之门。”自旋电子学为半导体物理学的一个新领域。传统的半导体电子学是基于电子的电荷传输,而自旋电子学则额外运用了电子的角动量—自旋。Ronning教授解释:“这个动量可以驱使电子向两个方向转动而诱导磁矩。”

这项新发现带来技术革新。一般的电子组件需要用上一万到十万个电子来完成单次的开关动作。而基于电子自旋的半导体开关组件则只需要一个电子来传输所需要的信息。李泉教授说:“这意味着自旋电子半导体比一般电子组件的开关速度快得多,并且只需要极少的能量。”

许建斌教授表示:“目前为止,巨磁阻的自旋电子效应已经广泛应用于增加台式和笔记本计算机的硬盘容量上,现已达到1,000GB的储存容量。”2007年诺贝尔物理学奖的得主为两位发现巨磁阻效应的科学家,进一步确定自旋电子学的重要性。诺贝尔物理学奖评委会更表示,这项发现是纳米技术领域的首次实际应用,相信纳米技术尚有极大的发展潜力。

拓展自旋电子学的前提,是必须制备具有本征铁磁特性的稀磁半导体。过去十年虽然开展了大量相关研究,但由于未曾发现一种能清楚证实本征铁磁性的方法,因此进展缓慢;中大这项研究的成果相信必能大大促进纳米技术的发展。 


李泉教授为先进分析电子显微学的知名学者,对纳米材料的应用素有研究。她曾任牛津大学和阿尔伯塔大学的访问学者,现任中国湖北大学荣誉讲座教授。李教授因在纳米结构研究领域的重要贡献,在2006年度获中大授予青年学者研究成就奖。

许建斌教授为纳米技术和电子材料领域的资深专家,积极参加各种专业活动,并曾担任多个重要国际电子材料会议的主席。他是电机及电子工程师学会(IEEE)高级会员、香港材料研究学会秘书长和理事,以及香港科学会副主席和理事。

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