中科院物理所磁性金屬橫向光伏效應的低磁場調控研究獲進展

索比光伏網訊:磁電子學在新一代信息技術上具有巨大潛力，一直是國際上關注的熱點。有關工作可以分為兩個方面。一是利用自旋霍爾效應、自旋賽貝克效應以及電子隧穿效應產生與操縱自旋流，這一領域已經有大量的工作。另一個重要的發展趨勢是利用磁場調控半導體內電子的運行軌跡：通過把磁場直接作用於半導體，利用洛侖茲效應偏轉電子軌道，獲得電子行為的磁調控。但是，由於常規半導體對磁場不敏感，所需要的磁場通常很高，為幾個甚至十幾特斯拉。已經有各種各樣的努力，例如通過樣品結構設計以及探索新的調控機理，以增加半導體的磁場靈敏性，但是效果不是非常理想。因此，探索新的半導體的磁調控原理仍然是國際上極為關注的問題。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)磁學國家重點實驗室孫繼榮課題組博士研究生王拴虎等通過在半導體與磁性金屬之間建立強烈的關聯，通過調控對磁場更為敏感的磁性金屬實現了對半導體內部電子運動行為的低磁場調控，產生明顯磁效應的磁場僅為幾個奧斯特。

他們發現，利用磁性金屬和半導體構成肖脫基結，當以光激發非平衡載流子時，半導體中的電子和磁性金屬中的空穴通過界面勢壘和庫侖相互作用形成電子-空穴對。當磁場影響磁性金屬的載流子時，同時影響了半導體中電子的擴散行為，進而產生一種新型的磁效應，導致磁性金屬與半導體各自的橫向光伏電壓隨磁場發生變化。研究發現，在4Oe下磁性陂莫合金中的橫向光伏變化約為1%，接近坡莫合金的本徵各向異性磁電阻；有意思的是，在半導體Si上也觀察到了橫向光伏效應隨磁場的變化，且相對變化幅度遠遠高於坡莫合金，最高可達3.5%，從而實現了Si中電子過程的低磁場調控。進一步，他們確定了影響半導體磁場效應的關鍵因素，為半導體磁場效應的設計與調控給出了理論指導。除橫向光伏效應，他們還首次發現了由非平衡載流子擴散在陂莫合金中形成的平面霍爾效應。這些工作，為半導體磁調控拓展了新的研究空間。這一工作發表在Advanced Materials 上 【Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201403868】。相關研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部和中科院有關基金的支持。

    a）實驗裝置示意圖。通過超聲焊接連接 Cu 片與鐵磁金屬樣品。b) 磁性金屬與Si各自的橫向光伏電壓和測量電極間距之間的關係。符號是實驗數據，實線是理論計算結果。雷射功率為 30 mW，波長為650 nm。

    a) 和 b) 分別在n-Si/Py 和 p-Si/Py 肖脫基結上測得的橫向光伏電壓隨磁場的變化。紅色和藍色分別對應Si和陂莫合金的橫向光伏效應。c) 陂莫合金 Py 的磁化曲線，磁場垂直於易磁化軸。d) Py/p-Si結中歸一化的V

_LP

-H 關係。e) 和 f) 分別對應坡莫合金和Si的磁各向異性光伏效應-電極間距關係。雷射功率為 30 mW，波長為650 nm。

a) 利用有限元模擬得到的Si中電勢在x-y 平面上的分布。b) 磁各向異性光伏效應隨電極間距的變化。

    a) 實驗裝置示意圖。坡莫合金條帶的寬度是 0.2 mm。b) 非平衡載流子擴散產生的平面霍爾效應。圖中數字為磁場與陂莫合金條帶之間的夾角。c) 平面霍爾電壓隨著上述角度的變化。

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