一种新型的无带隙半导体材料

摘要

本公开文本提供了一种新型的无带隙半导体材料，该材料具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括针对第一电子自旋极化的价带部分VB

说明书

技术领域

本发明宽泛而言涉及一种半导体材料，具体而言涉及一种无带隙(gapless)半导体材料。

背景技术

探索自旋态(spin state)和电子电荷(charge of electrons)两者的技术领域一般被称为“自旋电子学(spintronics)”。目前用于自旋电子学应用的材料包括稀磁性半导体(diluted magneticsemiconductor)、铁磁材料和半金属材料。

稀磁性半导体在大多数情况下不能获得100％的电子自旋极化，并且可迁移电子(mobile electrons)的速度由于电子散射而减小。稀磁性半导体目前还被限制为在相对低的温度下使用，因为它们必须是铁磁的以显示某种程度的自旋极化。

导电铁磁材料也能够被用来产生自旋极化电流以用于自旋电子学用途，但是不能实现100％的电子自旋极化。这再次由于电子散射而减小了电子迁移率(electron mobility)。进一步，铁磁材料没有半导体特性，所以它们的应用限于特定的自旋电子器件例如自旋阀。

半金属材料能够被用来实现100％的自旋极化，但是载荷子及其浓度不能被调节或控制。因此，半金属材料不能用于基于半导体的自旋电子器件应用。

因此，需要技术方面的进步。

发明内容

本发明在第一方面提供了一种新型的无带隙半导体材料，其具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括针对第一电子自旋极化的价带(valence band)部分VB₁和导带(conductionband)部分CB₁，以及针对第二电子自旋极化的价带部分VB₂和导带部分CB₂；

其中，VB₁具有第一能级，并且CB₁和CB₂中的一个具有第二能级，该第一能级和该第二能级的位置使得在VB₁与CB₁和CB₂中的所述一个之间进行无带隙电子跃迁是可能的，并且其中，该无带隙半导体材料被安排成使得在VB₂与CB₁和CB₂中的另一个之间限定了带隙(energybandgap)。

贯穿本说明书，术语“无带隙”用于指代约0.1eV或小于0.1eV的带隙(energy gap)。

该无带隙半导体材料一般被安排成使得，在没有外部影响(external influence)的情况下，费米能级(Fermi level)位于VB₁的最大值附近。

该第一能级一般是VB₁的最大值，该第二能级一般是CB₁和CB₂中的所述一个的最小值。

贯穿本说明书，术语“外部影响”用于指代导致该无带隙半导体材料的费米能级相对于电子能带而移位(shift)的任何力、场或类似物。例如，该外部影响的提供形式可以是：与跨越该无带隙半导体材料而施加的电压相关联的电场。

在VB₁与CB₁和CB₂中的所述一个之间进行仅需要非常小的激发能量的无带隙电子跃迁是可能的。然而，在VB₂与CB₁和CB₂中的所述另一个之间限定了带隙，从而需要能量以把电子从VB₂激发到CB₁或CB₂。因此，无带隙半导体材料具有显著的优点：无带隙电子激发是可能的，并且，高达(up to)预定激发能量的所有受激(excited)电子和/或空穴载荷子(hole charge carriers)具有相同的自旋极化。

该带隙(bandgap)可以是直接带隙或间接带隙。进一步，无带隙跃迁可以是直接跃迁或间接跃迁。

因为无带隙电子跃迁是可能的，所以该无带隙半导体材料的电子特性一般对外部影响的变化——例如外部磁场或电场、温度或压力、光和应力等的变化——是非常敏感的。该全自旋极化(full spinpolarization)降低了电子散射的可能性，因此该电子迁移率一般相对大，例如比传统半导体材料的电子迁移率大1到2个数量级。根据本发明一个实施方案的无带隙半导体材料结合了半导体材料中的无带隙电子跃迁的优点与全自旋极化的优点，因此开启了进行新应用的途径，例如新的或改进的“自旋电子学”、电子、磁、光、机械和化学传感器器件应用。

VB₁的能量最大值与CB₁和CB₂中的所述一个的能量最小值可以，例如，具有在0-0.01eV、0-0.02eV、0-0.04eV、0-0.05eV、0-0.06eV、0-0.08eV、0-0.1eV的范围内的能量间隔(energeticseparation)，并且也可以有些微重叠。

该预定能量取决于各能带部分相对于彼此的能量位置。该预定能量一般在0至E_G或者0至0.5E_G(E_G：带隙能量)的范围内。带隙能量E_G一般在0.2eV至5eV或0.2eV至3eV的范围内。

该无带隙半导体材料一般被安排成使得，通过控制费米能级相对于能带的位置，所述电子特性是可控的。例如，该无带隙材料可以被安排成使得，预定能量令费米能级的位置相对于能带的移位导致产生全极化自由载荷子。在一个具体实施例中，该无带隙半导体材料被安排成使得费米能级相对于能带的预定移位导致一种类型的全极化载荷子变为另一种类型的全极化载荷子，伴随或不伴随极化的改变。

该无带隙半导体可以被安排成使得从VB₁或VB₂激发到CB₁或CB₂的电子具有全自旋极化。替代地或附加地，该无带隙半导体可以被安排成使得处于VB₁或VB₂的空穴载荷子具有全自旋极化。

在本发明的第一实施方案中，VB₁的最大值和CB₁的最小值位于彼此附近，并一般在费米能级附近。在这个实施方案中，带隙E_G被限定在VB₂和CB₂之间。例如，VB₂的最大值可以位于费米能级，并且CB₂的最小值可以位于费米能级之上的能量E_G。在这种情况下，所有从VB₁激发到CB₁的电子针对高达E_G的激发能量都具有相同的自旋极化。或者，CB₂的最小值可以位于费米能级，或VB₂的最大值可以位于费米能级之下。在这种情况下，所有处于VB₁的空穴载荷子针对高达E_G的激发能量都具有相同的自旋极化。在又一个实施例中，该材料被安排成使得费米能级基本位于带隙的中间。在这种情况下，所有从VB₁激发到CB₁的电子针对高达0.5E_G的激发能量都具有相同的自旋极化，并且所有处于VB₁的对应的空穴载荷子也都具有相同的自旋极化。

在本发明的第二实施方案中，VB₁的最大值和CB₂的最小值位于彼此附近，一般在费米能级附近。在这个实施方案中，第一带隙被限定在VB₁和CB₁之间，第二带隙一般被限定在VB₂和CB₂之间。从VB₁到CB₂的无带隙电子跃迁与自旋极化的改变相关联。在这个实施方案中，该无带隙半导体材料被安排成使得从VB₁激发到CB₂的电子针对高达如下的激发能量具有全自旋极化，该激发能量对应于CB₁的最小值与CB₂的最小值之间的能量差，并且VB₁的对应的空穴载荷子具有相反的全自旋极化(full opposite spin polarisation)。

在上面描述的本发明的第二实施方案中，该无带隙半导体材料一般被安排成使得，如果费米能级被低于VB₁最大值的外部影响移位到VB₂最大值或其之上的位置，则在VB₁会产生全极化的空穴载荷子。进一步，该无带隙半导体材料一般被安排成使得，如果费米能级被高于VB₁最大值的外部影响移位到CB₂最小值或其之下的位置，则CB₂会包括全极化电子，该全极化电子以如下方向极化，该方向与通过降低费米能级而产生的处于VB₁的极化空穴载荷子的方向相反。

该无带隙半导体材料可以具有如下色散关系(dispersionrelation)，该色散关系至少部分地基本是动量的二次(quadratic)函数。或者，该材料也可以具有如下色散关系，该色散关系至少部分地基本是动量的线性函数。

该无带隙半导体材料可以以任何合适的形式被提供，并且一般包括掺杂有磁性离子的间接或直接无带隙半导体材料。

该无带隙半导体材料可以包括与从半金属到磁性半导体的过渡相关联的材料。在本发明的一个具体实施方案中，该无带隙半导体材料以氧化物材料——例如A_XB_YO_Z型材料——的形式被提供，这里A是1组(group 1)、2组(group 2)或稀土元素，B是过渡金属，参数x、y和z一般在0-4的范围内。例如，该无带隙材料可以包括铅基氧化物，并且一般包括PbPdO₂。在这个实施方案中，该无带隙半导体材料掺杂有钴离子，并且该PbPdO₂的钯离子中的至少一些——一般约25％——被钴离子代替。发明人已经观察到，掺杂有钴的PbPdO₂是具有根据本发明的上述第二具体实施方案的电子特性的材料。

或者，该无带隙半导体材料可以包括任何合适类型的石墨烯(graphene)(具有或不具有掺杂以及具有或不具有对表面和/或边缘的更改的单层石墨)，或者任何类型的无带隙半导体材料或以合适方式掺杂的窄带材料。

该无带隙半导体材料的价带和导带可以具有能带弯曲(bandbending)，该能带弯曲被选择以使得受激极化电子和空穴载荷子具有不同的速度，由此便于受激电子和空穴载荷子相互分离。

本发明在第二方面提供了一种极化光源，该光源包括：

根据本发明第一方面的新型无带隙半导体材料；

激发源，其用于把电子从VB₁激发到CB₁和CB₂中的所述一个，并且其被安排成使得激发能量不足以把电子从VB₁激发到CB₁和CB₂中的所述另一个。

CB₁和CB₂中的所述另一个一般是CB₂。该激发源可以是光子源。该极化光源一般被安排成使得基本避免电子从VB₂跃迁到CB₁或CB₂。

上述的极化光子源一般被安排成使得受激电子和空穴具有由可能的电子跃迁预定的自旋，并且受激电子和空穴的再结合一般导致极化光子的发射。

本发明在第三方面提供了一种极化光源，该光源包括：

半导体材料，其具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括针对第一电子自旋极化的价带部分VB₁和导带部分CB₁，以及针对第二电子自旋极化的价带部分VB₂和导带部分CB₂，其中VB₁、VB₂、CB₁和CB₂具有如下安排的能级，该安排使得形成第一带隙和第二带隙，该第一带隙小于该第二带隙；

激发源，其用于激发电子越过该第一带隙，并且被安排成使得激发能量不足以激发电子越过该第二带隙。

VB₁、VB₂、CB₁和CB₂一般具有如下安排的能级，该安排使得该第一带隙被限定在VB₁和CB₁之间，并且该第二带隙被限定在VB₂和CB₂之间。该激发源一般被安排成用于把电子从VB₁激发到CB₁，并且被安排成使得激发能量不足以把电子从VB₂激发到CB₂。

该激发源可以是光子源。该极化电子源一般被安排成使得基本避免把电子从VB₁激发到CB₂和/或从VB₂激发到CB₁。

本发明在第四方面提供了一种无带隙半导体材料，其包括氧化物材料，并且具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括价带VB和导带CB；

其中，VB和CB的位置使得在VB和CB之间进行无带隙电子跃迁是可能的。

该氧化物材料一般是A_XB_YO_Z型，这里A是1组、2组或稀土元素，B是过渡金属，参数x、y和z一般在0-4的范围内。在一个具体实施例中，该无带隙半导体材料是铅基氧化物，例如PbPdO₂。

或者，该无带隙半导体材料可以以A_XB_YC_ZD_qO_t的形式被提供，这里A和B是1组、2组或稀土元素，C和D是过渡金属以及Ⅲ族、VI族和V族(III，VI，and V family)中的元素，O是氧，参数x、y、z、q、t在0-12的范围内。

本发明在第三方面提供了一种电子器件，其包括根据本发明第一方面或第二方面的无带隙半导体材料。

该电子器件一般包括用于产生外部影响的部件，由此令该无带隙半导体材料的费米能级位置相对于能带而移位。进一步，该电子器件可以包括分离器(separator)，其用于使受激极化电子和空穴载荷子相互分离。在一个实施方案中，该分离器被安排成根据霍尔效应的原理来运作。

从下面对本发明的具体实施方案的描述中，将更全面地理解本发明。该描述是参考附图来提供的。

附图说明

图1(a)到1(d)示出了根据本发明实施方案的材料的电子能带结构的示意图；

图2(a)到2(d)示出了根据本发明又一些实施方案的无带隙半导体材料的电子能带结构的示意图；

图3示出了根据本发明一个具体实施方案的极化光源；

图4示出了根据本发明一个实施方案的无带隙半导体材料的晶体结构图；

图5(a)和5(b)示出了根据本发明一个具体实施方案的材料的能带结构图；

图6示出了根据本发明另一个实施方案的无带隙半导体材料的晶体结构图；

图7(a)和7(b)示出了根据本发明一个具体实施方案的材料的能带结构图；

图8示出了根据本发明一个实施方案的电子器件；以及

图9示出了图8中所示电子器件的功能。

具体实施方式

本发明的实施方案提供了一种无带隙半导体材料，其被安排以用于受激电子和/或空穴载荷子的针对高达预定激发能量的全自旋极化。该无带隙半导体材料结合了无带隙半导体跃迁的优点与全自旋极化的优点，因此开启了针对新的或改进的电子、磁、光、机械和化学传感器器件应用的新途径。

参考图1，现在描述根据本发明实施方案的无带隙半导体材料的能带结构的具体实施例。

图1(a)示出了根据本发明第一具体实施方案的无带隙半导体材料的能带图的示意图。所示的能带图表现了该材料的色散关系(能量E与动量k的函数关系)。该能带图示出了将价带与导带隔开的费米能级E_F。该价带被分成第一价带部分VB₁和第二价带部分VB₂，该导带被分成第一导带部分CB₁和第二导带部分CB₂。带部分VB₁和CB₁代表具有第一自旋极化的电子的可能的能态(energetic states)，带部分VB₂和CB₂代表与相反的自旋极化相关联的可能的电子态(electronicstates)。在这个实施例中，带部分VB₁的最大值和带部分CB₁的最小值以如下方式位于费米能级，该方式使得从VB₁到CB₁进行无带隙跃迁是可能的。

在这个实施方案中，价带部分VB₂的最大值也位于费米能级，但是导带部分CB₂的最小值与价带部分VB₂的最大值间隔一带隙。因此，对于从该价带到该导带的电子跃迁，如果激发能量小于对应于该带隙的能量，则仅有的可用的空(empty)电子态是位于费米能级和CB₂最小值之间的能量的CB₁电子态。在这种情况下，所有受激电子都是全极化的。

该无带隙半导体材料的费米能级相对于能带的能量位置可以被外部影响——例如跨越该无带隙半导体材料而施加的外部电压——改变。可以通过选择费米能级相对于能带的位置来控制载荷子浓度。例如，如果费米能级相对于能带被提升到低于CB₂最小值的位置，则导带部分CB₁具有全极化的占有电子态(occupied electronic state)。

图1(b)示出了根据本发明另一个具体实施方案的材料的能带图。在该实施方案中，价带部分VB₁与导带部分CB₁间隔一带隙，价带部分VB₂与导带部分CB₂也间隔一带隙。然而，在VB₁和CB₂之间没有带隙(或仅有能量小于0.1eV的小带隙)。因此，在VB₁和CB₂之间进行无带隙跃迁是可能的。这样的无带隙跃迁使电子从第一自旋方向(VB₁的)转变到相反的自旋方向(CB₂的)。对于从VB₁或VB₂到CB₂的电子跃迁——其具有小于VB₁和CB₁之间带隙能量的能量，所有处于CB₂的受激电子都是全自旋极化的。进一步，VB₁中对应的空穴载荷子也以相反的方向全极化。

例如，费米能级的位置可以被提升至稍高但低于CB₁最小值的能量。在这种情况下，CB₂会包含全极化的占有电子态。另一方面，如果费米能级稍微移位至一较低但高于VB₂最大值的位置，则在VB₁中会产生全极化的空穴载荷子。所产生的空穴载荷子的极化与通过提升费米能级所产生的占有电子态的极化相反。因此，有可能通过使用外部影响控制费米能级位置来改变载荷子的类型以及它们的极化。

图1(c)示出了根据本发明又一个实施方案的无带隙半导体材料的能带图。在这种情况下，在VB₁和VB₂之间进行无带隙跃迁是可能的。CB₂的最小值位于费米能级，并且VB₂和CB₂之间形成一带隙。如果激发能量小于对应于VB₂和CB₂之间带隙的能量，则从VB₁到CB₁或CB₂的电子跃迁会导致在VB₁中产生全极化的空穴载荷子。进一步，如果费米能级稍微降低一小于VB₂和CB₂之间带隙的能量，则在VB₁中会产生全极化的空穴载荷子。

图1(d)示出了根据本发明又一个实施方案的无带隙半导体材料的能带图。在这种情况下，在VB₁和CB₁之间进行无带隙跃迁是可能的，并且该带隙被限定在VB₂和CB₂之间。在这个实施方案中，费米能级近似位于该带隙的中间。如果激发能量小于对应于该带隙能量的约一半的能量，则从VB₁到CB₁的电子跃迁会导致在CB₁中产生全极化电子以及在VB₁中产生全极化的空穴载荷子。进一步，如果费米能级被稍微提升到低于CB₂最小值的位置，则在CB₁中会产生全极化的电子态。或者，如果费米能级被降低到VB₂最大值之上的位置，则在VB₁中会产生全极化的空穴载荷子。

图1示出了呈抛物线色散关系的能带。图2示出了在假设色散关系是线性的情况下所对应的能带图。

图3示出了根据本发明一个具体实施方案的极化光源的运作。图3示出了一种半导体材料的能带图50。例如，该半导体材料可以是上面参考图1所述的类型。或者，该半导体材料可以不是无带隙材料，而是可以针对每个电子自旋极化具有各自的带隙。

图3示出了能带图50，其针对第一电子自旋方向具有价带VB₁和导带CB₁，针对第二电子自旋方向具有价带VB₂和导带CB₂。在这个实施例中，第一带隙被限定在VB₁和CB₁之间，第二带隙被限定在VB₂和CB₂之间。该第一带隙小于该第二带隙。步骤51-53表现了电子激发、再结合以及极化光子的发射。在所描述的实施方案中，一光子源被用来把电子从VB₁激发到CB₁。该光子能量不足以把电子激发到CB₂，电子从VB₂激发到CB₁。因此，受激电子和空穴态具有一种预定的自旋极化。接着，这些受激态的再结合导致极化光子的发射。

该无带隙半导体可以例如以A_XB_YO_Z氧化物材料的形式被提供，这里A是1组、2组或稀土元素，B是过渡金属或Ⅲ族、Ⅵ族、V族元素，参数x、y和z在0-4的范围内。在这个实施例中，该无带隙材料包括PbPdO₂。在这个实施方案中，该无带隙半导体材料掺杂有钴(Co)离子，并且该PbPdO₂中的钯(Pd)离子的约25％被钴离子代替。图4示出了该材料的晶体结构。发明人已经观察到，掺杂有钴的PbPdO₂是具有根据本发明的上述第二具体实施方案的电子特性的无带隙半导体材料。

该PbPdO₂材料可以由PdO、PdO和CoCO₃的粉末混合形成。该混合物然后被放在托盘上(palletized)，然后在约600-900℃的温度被烧结约3-10个小时。为了制造薄膜样品，可以初始形成Pb-Pd-Co-O的块状靶材(bulk target)，然后可以使用脉冲激光沉积方法，在具有氧分压(oxygen partial pressure)的氩气氛中，在约400-900℃的温度下，将该薄膜材料沉积在合适的基材上。

本领域技术人员应理解，该无带隙半导体材料可以以许多不同形式被提供。总体上，具有所述特性的具体无带隙半导体材料一般包括掺杂有合适的掺杂物——一般是磁性离子——的无带隙半导体材料。或者，该无带隙半导体材料可以包括掺杂有如下磁性离子的任何其他合适类型的材料，该磁性离子包括石墨烯(graphine)以及汞(Hg)基IV-VI材料例如HgCdTe、HgCdSe或HgZnSe。

图5(a)示出了PbPdO₂的电子能带结构，其是针对布里渊区(Brillouin zone)中的高对称性点而算出的。图5(a)显示在Г点不存在禁带或带隙，这表明PbPdO₂是典型的直接无带隙半导体(直接指的是越过带隙的跃迁)。

图5(b)示出了具有25％的钴掺杂级的PbPdO₂的自旋解析(spinresolved)电子能带结构。图5(b)中的实线表示“上旋(spin up)”电子的能带结构。图5(b)中的虚线表示“下旋(spin down)”电子的能带结构。图4(b)示出了与图1(b)所示电子能带结构有关的电子能带结构。

图5(b)示出了对于PbPdO₂，上旋电子的最高价带在Г点接近于费米能级。最低导带在U点以及在T点和Y点之间也接近于费米能级。因此上旋电子的价带(VB₁)和下旋电子的导带(CB₂)被示为间接无带隙。

图5(a)和5(b)示出的能带结构是由合适的计算机软件使用密度泛函理论(density functional theory)来算出的。当进行这些计算时，设置下面的变量：

-局部密度近似(local density approximation)，用于交换-修正泛函(exchange-correction functional)

-具有96个合计(summarised)k点的Monkhort-pack网格(4×4×6)，用于以340eV的截止能量和10^-6的SFC公差进行布里渊取样

-该能带结构的k点分离品质(separation quality)，被设置为0.015A^-1

-相对论性电子(relativistic electrons)，用于核心处理(coretreatment)

图6示出了又一种材料的晶体结构。发明人已经观察到，YFeAsO是具有类似于上述材料的特性的半导体材料。图7(a)和7(b)示出了这种材料的能带结构。

图8示出了根据本发明的实施方案的电子器件100。在这个实施方案中，该电子器件包括元件102，该元件包括上述的无带隙半导体材料。进一步，电子器件100包括外部源104，该外部源用于施加外部影响，从而使该无带隙半导体材料的费米能级的位置移位。在这个实施方案中，该外部源以电压源的形式被提供。

电子器件100包括分离器106，该分离器被安排以使电子与空穴载荷子分离。分离器106被安排以产生磁场。以图8中箭头所示方向移动经过材料102的电子和空穴载荷子在该磁场中由于霍尔效应而彼此分离。这在图9中被示意性地示出。

尽管已经参考具体实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明可以以许多其他形式来实现。例如，该无带隙半导体材料可以不是氧化物材料。进一步，本领域技术人员应理解，图1和2中示出的能带结构图仅是许多可能的变体的简化实例。进一步，应理解，自旋无带隙材料的提供形式可以是具有或不具有掺杂的二维石墨烯，或者是任何形式的石墨烯(grapheme)，也可以是具有导电表面的材料。