自旋电子学（Spintronics），是一门新兴的学科和技术。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。许多新材料，例如磁性半导体（包括稀磁半导体和铁磁半导体）、半金属等，近年来被广泛地研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。铁磁半导体（ferromagnetic semiconductor）是一种同时体现铁磁性和半导体特性的半导体材料。由于材料的自发磁化产生的内部磁场，在理论上可以实现自旋注入率接近百分之百的自旋极化。这导致自旋电子学的一个重要应用，例如自旋晶体管（spin transistors）。近年来，利用低温分子束外延技术（LT-MBE）生长的Mn掺杂III-V族铁磁半导体等，以(Ga,Mn)As为代表，引起了人们的高度关注。这些III-V族铁磁半导体很容易与III-V族非磁性半导体等结合形成异质结构，呈现出自旋相关的散射、层间相互作用耦合、巨磁阻（GMR），隧穿磁阻（TMR），自旋轨道力矩等现象。然而(In,Mn)As和(Ga,Mn)As的居里温度分别低于90 K和200 K，尚不能满足实际工作要求。因此，提高铁磁半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为半导体自旋电子学研究的一个热点。

(Ga,Mn)As通常呈现出和居里温度相关的金属-绝缘体转变现象，但仅限于足够低的Mn掺杂浓度，这也同时削弱材料中铁磁交换相互作用。铁磁性半导体(Ga,Mn)(As,P)可以在保持铁磁性质的同时，呈现出金属-绝缘体过渡的状态，使研究者可以研究在铁磁状态下的金属-绝缘体转变现象，为探索高温磁性半导体材料提供新的视角。这也会加深对铁磁半导体中铁磁机制的认识，加速探索新的性能和应用。

近日，圣母大学佛第纳教授课题组在(Ga,Mn)(As,P)薄膜中，应用电荷载流子的莫特变程跃迁理论，成功诠释了铁磁半导体在低温下经历金属-绝缘体转变的机制。他们在这项工作中，系统研究低温下与饱和磁矩共存的庞负磁电阻效应（colossal negative magnetoresistance）。通过分析特定磁场下电阻率的温度变化性，他们证明低温庞负磁电阻效应可以由在磁场作用下局域化长度和迁移率边的演变来描述。这种机制可能是由(Ga,Mn)(As,P)薄膜中Mn 原子和P 原子的空间分布的无序性导致，与磁场对安德森局域化的抑制作用有关。此外，通过详细分析电阻率随温度变化的指数标度，他们也证实了(Ga,Mn)(As,P)薄膜的导电过程中存在最近邻跳跃机制和埃弗罗斯和什克洛夫斯基变程跃迁机制之间的转变，揭示出电荷间库仑相互作用对庞负磁电阻效应的影响。

该文章以题为“Colossal negative magnetoresistance from hopping in insulating ferromagnetic semiconductors”发表在Journal of Semiconductors上

图1.（a）Ga0.94Mn0.06As0.79P0.21在T = 5K 处，磁化强度与沿垂直于平面方向（[001] 轴）施加的磁场的关系。插图：在 B = 2 mT 处磁化强度与温度的关系。（b）Ga0.94Mn0.06As0.79P0.21 和（c）Ga0.94Mn0.06As0.79P0.21在选定温度下，电阻率随沿 [001] 轴施加的磁场的变化。

图2. Ga0.94Mn0.06As0.79P0.21，（a）对于较高温度，在不同磁场下电阻率与 1/T 标度的关系；（b）对于较低温度，在不同磁场下电阻率与 T-1/2 标度的关系。（c）不同温度下，磁阻与磁场在对数标度下的关系，曲线：朗之万函数拟合曲线。

文章信息：

Colossal negative magnetoresistance from hopping in insulating ferromagnetic semiconductors

Xinyu Liu, Logan Riney, Josue Guerra, William Powers, Jiashu Wang, Jacek K. Furdyna, Badih A. Assaf

J. Semicond. 2022, 43(11): 112502 doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112502

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/43/11/112502

来源：半导体学报