| 科学家在纳米尺度下对磁性半导体成像 |
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| 教育部科技发展中心 2006-08-01 |
美国爱荷华大学、伊利诺斯大学和普林斯顿大学的科学家们直接观察到了半导体芯片上间距小于一纳米的两个磁性原子间的磁相互作用。各项最新研究成果将在7月27日的《Nature》杂志上以封面的形式发表。它使科学家们离实现高级半导体芯片的目标又近了一步。这种芯片将利用电子的自旋性质来处理信息，也就是自旋电子学。
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伊利诺斯大学物理与天文学系教授Michael Flatté说：“根据自旋电子学，一块计算机芯片可以完成处理数据和长时间存储数据的任务，而不用CPU和硬盘来分别实现。而且数据处理过程可以更快，能耗更少。”
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大约20年前，IBM的研究人员们发现普通的半导体材料砷化铟在掺入极少量磁性原子后在低温下显示出磁性。他们掺入的磁性原子是锰，那之后其它的磁性半导体迅速涌现。手机中使用的磁性半导体材料砷化镓掺入锰原子后呈磁性，但是也要在零下88度才有效。为了在未来的计算机芯片中得到应用，像砷化镓锰等磁性半导体材料必须更高的温度下纯净地实现，而且阻抗要小。
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Flatté说：“在纳米尺度下实现磁相互作用将有利于设计出更好的磁性半导体材料，以及它们在电子工业中的应用。”他与伊利诺斯大学助研唐建明（音译）预言了磁相互作用可以通过扫描隧道显微镜成像。
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Flatté与唐建明预言磁性相互作用强烈的依赖于半导体的晶格结构。一些位置相互作用很强，而另一些地方却很弱。锰原子掺入砷化镓后会出现在很多不同的晶格上。在统计上观察两个相隔不到一纳米的锰原子是很困难的。
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Flatté的研究小组采取的是一种完全不同的方法来观察磁相互作用。他们一次只在纯净的砷化镓中掺入一个锰原子。普林斯顿大学物理教授Ali Yazdani说：“利用扫描隧道显微镜的探针，我们可以一次只在基底材料上移动一个原子，在用金属原子替代它的位置，这样基底材料就有磁性了。”这时科学家们首次对原子尺度的半导体材料进行操作。
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扫描隧道显微镜与普通的光学显微镜很不同，它有一个非常精确的点状探针。探针可以在材料表面扫描，通过电场的变化来探测材料表面结构。但是Yazdani的实验室发现带电探针可以用来提取单个镓原子，然后用锰原子替代它的位置。
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通过掺入锰原子，研究人员们创造出一个原子尺度的实验室，它能对芯片中原子和电子相互作用进行精确成像。该研究小组利用他们的新技术发现锰原子的最优化排布与Flatté和唐建明的预言一致。
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Flatté指出，接下来需要把这项新研究的结果用于芯片技术中去，可是利用扫描隧道显微镜制造出大面积的高质量砷化镓锰却并不太现实。但是从锰原子的最优化排布中学到的经验，可以用于其它的磁性半导体材料的生长技术中去。
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