專利名稱：一種新型的無帶隙半導(dǎo)體材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明寬泛而言涉及一種半導(dǎo)體材料，具體而言涉及一種無帶隙(gapless)半導(dǎo) 體材料。
背景技術(shù)：
探索自旋態(tài)(spin state)和電子電荷(charge of electrons)兩者的技術(shù)領(lǐng)域 一般被稱為“自旋電子學(xué)(spintronics) ”。目前用于自旋電子學(xué)應(yīng)用的材料包括稀磁性半 導(dǎo)體(diluted magneticsemiconductor)、鐵磁材料和半金屬材料。稀磁性半導(dǎo)體在大多數(shù)情況下不能獲得100%的電子自旋極化，并且可遷移電子 (mobile electrons)的速度由于電子散射而減小。稀磁性半導(dǎo)體目前還被限制為在相對低 的溫度下使用，因為它們必須是鐵磁的以顯示某種程度的自旋極化。導(dǎo)電鐵磁材料也能夠被用來產(chǎn)生自旋極化電流以用于自旋電子學(xué)用途，但是不 能實(shí)現(xiàn)100%的電子自旋極化。這再次由于電子散射而減小了電子遷移率(electron mobility)。進(jìn)一步，鐵磁材料沒有半導(dǎo)體特性，所以它們的應(yīng)用限于特定的自旋電子器件 例如自旋閥。半金屬材料能夠被用來實(shí)現(xiàn)100%的自旋極化，但是載荷子及其濃度不能被調(diào)節(jié) 或控制。因此，半金屬材料不能用于基于半導(dǎo)體的自旋電子器件應(yīng)用。因此，需要技術(shù)方面的進(jìn)步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在第一方面提供了一種新型的無帶隙半導(dǎo)體材料，其具有能夠用電子能 帶結(jié)構(gòu)來表征的電子特性，該電子能帶結(jié)構(gòu)包括針對第一電子自旋極化的價帶(valence band)部分VA和導(dǎo)帶(conductionband)部分CB1，以及針對第二電子自旋極化的價帶部分 VB2和導(dǎo)帶部分CB2 ；其中，VB1具有第一能級，并且CB1和CB2中的一個具有第二能級，該第一能級和該 第二能級的位置使得在VB1與CB1和CB2中的所述一個之間進(jìn)行無帶隙電子躍遷是可能的， 并且其中，該無帶隙半導(dǎo)體材料被安排成使得在VB2與CB1和CB2中的另一個之間限定了帶(energybandgap)0貫穿本說明書，術(shù)語“無帶隙”用于指代約0. IeV或小于0. IeV的帶隙(energy gap)。該無帶隙半導(dǎo)體材料一般被安排成使得，在沒有外部影響(external influence) 的情況下，費(fèi)米能級O^ermi level)位于VB1的最大值附近。該第一能級一般是VB1的最大值，該第二能級一般是CB1和CB2中的所述一個的最小值。貫穿本說明書，術(shù)語“外部影響”用于指代導(dǎo)致該無帶隙半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級相 對于電子能帶而移位(shift)的任何力、場或類似物。例如，該外部影響的提供形式可以是與跨越該無帶隙半導(dǎo)體材料而施加的電壓相關(guān)聯(lián)的電場。在VB1與CB1和CB2中的所述一個之間進(jìn)行僅需要非常小的激發(fā)能量的無帶隙電 子躍遷是可能的。然而，在VB2與CB1和CB2中的所述另一個之間限定了帶隙，從而需要能 量以把電子從卯2激發(fā)到CB1或CB2。因此，無帶隙半導(dǎo)體材料具有顯著的優(yōu)點(diǎn)無帶隙電子 激發(fā)是可能的，并且，高達(dá)(up to)預(yù)定激發(fā)能量的所有受激(excited)電子和/或空穴載 荷子(hole charge carriers)具有相同的自旋極化。該帶隙(bandgap)可以是直接帶隙或間接帶隙。進(jìn)一步，無帶隙躍遷可以是直接 躍遷或間接躍遷。因為無帶隙電子躍遷是可能的，所以該無帶隙半導(dǎo)體材料的電子特性一般對外部 影響的變化——例如外部磁場或電場、溫度或壓力、光和應(yīng)力等的變化一一是非常敏感的。 該全自旋極化(full spinpolarization)降低了電子散射的可能性，因此該電子遷移率一 般相對大，例如比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的電子遷移率大1到2個數(shù)量級。根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施 方案的無帶隙半導(dǎo)體材料結(jié)合了半導(dǎo)體材料中的無帶隙電子躍遷的優(yōu)點(diǎn)與全自旋極化的 優(yōu)點(diǎn)，因此開啟了進(jìn)行新應(yīng)用的途徑，例如新的或改進(jìn)的“自旋電子學(xué)”、電子、磁、光、機(jī)械 和化學(xué)傳感器器件應(yīng)用。VB1的能量最大值與CB1和( 中的所述一個的能量最小值可以，例如，具有在 0-0. OleV,0-0. 02eV、0-0. 04eV、0_0· 05eV、0_0· 06eV、0_0· 08eV、0_0· IeV 的范圍內(nèi)的能量間 隔(energetics印aration)，并且也可以有些微重疊。該預(yù)定能量取決于各能帶部分相對于彼此的能量位置。該預(yù)定能量一般在0至& 或者0至0. 5 (Ee 帶隙能量)的范圍內(nèi)。帶隙能量& 一般在0. 2eV至5eV或0. 2eV至!BeV 的范圍內(nèi)。該無帶隙半導(dǎo)體材料一般被安排成使得，通過控制費(fèi)米能級相對于能帶的位置， 所述電子特性是可控的。例如，該無帶隙材料可以被安排成使得，預(yù)定能量令費(fèi)米能級的位 置相對于能帶的移位導(dǎo)致產(chǎn)生全極化自由載荷子。在一個具體實(shí)施例中，該無帶隙半導(dǎo)體 材料被安排成使得費(fèi)米能級相對于能帶的預(yù)定移位導(dǎo)致一種類型的全極化載荷子變?yōu)榱?一種類型的全極化載荷子，伴隨或不伴隨極化的改變。該無帶隙半導(dǎo)體可以被安排成使得從VB1或VB2激發(fā)到CB1或CB2的電子具有全自 旋極化。替代地或附加地，該無帶隙半導(dǎo)體可以被安排成使得處于VB1或VB2的空穴載荷子 具有全自旋極化。在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中，VB1的最大值和CB1的最小值位于彼此附近，并一般 在費(fèi)米能級附近。在這個實(shí)施方案中，帶隙&被限定在CB2之間。例如，的最大 值可以位于費(fèi)米能級，并且CB2的最小值可以位于費(fèi)米能級之上的能量&。在這種情況下， 所有從VB1激發(fā)到CB1的電子針對高達(dá)&的激發(fā)能量都具有相同的自旋極化?；蛘?，CB2的 最小值可以位于費(fèi)米能級，或VB2的最大值可以位于費(fèi)米能級之下。在這種情況下，所有處 于VB1的空穴載荷子針對高達(dá)&的激發(fā)能量都具有相同的自旋極化。在又一個實(shí)施例中， 該材料被安排成使得費(fèi)米能級基本位于帶隙的中間。在這種情況下，所有從VB1激發(fā)到CB1 的電子針對高達(dá)0. 5Eg的激發(fā)能量都具有相同的自旋極化，并且所有處于VB1的對應(yīng)的空穴 載荷子也都具有相同的自旋極化。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，VB1的最大值和CB2的最小值位于彼此附近，一般在費(fèi)米能級附近。在這個實(shí)施方案中，第一帶隙被限定在VB1和CB1之間，第二帶隙一般被限 定在CB2之間。從VBjIj CB2的無帶隙電子躍遷與自旋極化的改變相關(guān)聯(lián)。在這個實(shí) 施方案中，該無帶隙半導(dǎo)體材料被安排成使得從VB1激發(fā)到CB2的電子針對高達(dá)如下的激發(fā) 能量具有全自旋極化，該激發(fā)能量對應(yīng)于CB1的最小值與CB2的最小值之間的能量差，并且 VB1的對應(yīng)的空穴載荷子具有相反的全自旋極化(full opposite spin polarisation)。在上面描述的本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，該無帶隙半導(dǎo)體材料一般被安排成使 得，如果費(fèi)米能級被低于VB1最大值的外部影響移位到VB2最大值或其之上的位置，則在VB1 會產(chǎn)生全極化的空穴載荷子。進(jìn)一步，該無帶隙半導(dǎo)體材料一般被安排成使得，如果費(fèi)米能 級被高于VB1最大值的外部影響移位到CB2最小值或其之下的位置，則CB2會包括全極化電 子，該全極化電子以如下方向極化，該方向與通過降低費(fèi)米能級而產(chǎn)生的處于VB1W極化空 穴載荷子的方向相反。該無帶隙半導(dǎo)體材料可以具有如下色散關(guān)系(dispersionrelation)，該色散關(guān)系 至少部分地基本是動量的二次(quadratic)函數(shù)?；蛘?，該材料也可以具有如下色散關(guān)系， 該色散關(guān)系至少部分地基本是動量的線性函數(shù)。該無帶隙半導(dǎo)體材料可以以任何合適的形式被提供，并且一般包括摻雜有磁性離 子的間接或直接無帶隙半導(dǎo)體材料。該無帶隙半導(dǎo)體材料可以包括與從半金屬到磁性半導(dǎo)體的過渡相關(guān)聯(lián)的材料。 在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方案中，該無帶隙半導(dǎo)體材料以氧化物材料一一例如AxByOz型材 料——的形式被提供，這里A是1組(group 1)、2組(group 2)或稀土元素，B是過渡金屬， 參數(shù)x、y和ζ —般在0-4的范圍內(nèi)。例如，該無帶隙材料可以包括鉛基氧化物，并且一般包 括I^bPd02。在這個實(shí)施方案中，該無帶隙半導(dǎo)體材料摻雜有鈷離子，并且該HdPcW2的鈀離子 中的至少一些——一般約25%——被鈷離子代替。發(fā)明人已經(jīng)觀察到，摻雜有鈷的HdPCW2 是具有根據(jù)本發(fā)明的上述第二具體實(shí)施方案的電子特性的材料。或者，該無帶隙半導(dǎo)體材料可以包括任何合適類型的石墨烯(graphene)(具有或 不具有摻雜以及具有或不具有對表面和/或邊緣的更改的單層石墨)，或者任何類型的無 帶隙半導(dǎo)體材料或以合適方式摻雜的窄帶材料。該無帶隙半導(dǎo)體材料的價帶和導(dǎo)帶可以具有能帶彎曲(bandbending)，該能帶彎 曲被選擇以使得受激極化電子和空穴載荷子具有不同的速度，由此便于受激電子和空穴載 荷子相互分離。本發(fā)明在第二方面提供了一種極化光源，該光源包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的新型無帶隙半導(dǎo)體材料；激發(fā)源，其用于把電子從VB1激發(fā)到CB1和CB2中的所述一個，并且其被安排成使 得激發(fā)能量不足以把電子從VB1激發(fā)到CB1和CB2中的所述另一個。CB1和CB2中的所述另一個一般是CB2。該激發(fā)源可以是光子源。該極化光源一般 被安排成使得基本避免電子從VB2躍遷到CB1或CB2。上述的極化光子源一般被安排成使得受激電子和空穴具有由可能的電子躍遷預(yù) 定的自旋，并且受激電子和空穴的再結(jié)合一般導(dǎo)致極化光子的發(fā)射。本發(fā)明在第三方面提供了一種極化光源，該光源包括半導(dǎo)體材料，其具有能夠用電子能帶結(jié)構(gòu)來表征的電子特性，該電子能帶結(jié)構(gòu)包括針對第一電子自旋極化的價帶部分VB1和導(dǎo)帶部分CB1,以及針對第二電子自旋極化的價 帶部分VB2和導(dǎo)帶部分CB2，其中VB” VB2、CB1和CB2具有如下安排的能級，該安排使得形成第一帶隙和第二帶隙，該第一帶隙小于該第二帶隙；激發(fā)源，其用于激發(fā)電子越過該第一帶隙，并且被安排成使得激發(fā)能量不足以激 發(fā)電子越過該第二帶隙。VB1^VB2XB1和CB2 —般具有如下安排的能級，該安排使得該第一帶隙被限定在VB1 和CB1之間，并且該第二帶隙被限定在VB2和CB2之間。該激發(fā)源一般被安排成用于把電子 從VB1激發(fā)到CB1,并且被安排成使得激發(fā)能量不足以把電子從VB2激發(fā)到CB2。該激發(fā)源可以是光子源。該極化電子源一般被安排成使得基本避免把電子從VB1 激發(fā)到CB2和/或從VB2激發(fā)到CB115本發(fā)明在第四方面提供了一種無帶隙半導(dǎo)體材料，其包括氧化物材料，并且具有 能夠用電子能帶結(jié)構(gòu)來表征的電子特性，該電子能帶結(jié)構(gòu)包括價帶VB和導(dǎo)帶CB ；其中，VB和CB的位置使得在VB和CB之間進(jìn)行無帶隙電子躍遷是可能的。該氧化物材料一般是AxByA型，這里A是1組、2組或稀土元素，B是過渡金屬，參 數(shù)χ、y和ζ —般在0-4的范圍內(nèi)。在一個具體實(shí)施例中，該無帶隙半導(dǎo)體材料是鉛基氧化 物，例如PbPdO2。或者，該無帶隙半導(dǎo)體材料可以以ΑΛ ^^的形式被提供，這里A和B是1組、2 組或稀土元素，C和D是過渡金屬以及III族、VI族和V族(III，VI，and V family)中的元 素，0是氧，參數(shù)x、y、Z、q、t在0-12的范圍內(nèi)。本發(fā)明在第三方面提供了一種電子器件，其包括根據(jù)本發(fā)明第一方面或第二方面 的無帶隙半導(dǎo)體材料。該電子器件一般包括用于產(chǎn)生外部影響的部件，由此令該無帶隙半導(dǎo)體材料的費(fèi) 米能級位置相對于能帶而移位。進(jìn)一步，該電子器件可以包括分離器(s印arator)，其用于 使受激極化電子和空穴載荷子相互分離。在一個實(shí)施方案中，該分離器被安排成根據(jù)霍爾 效應(yīng)的原理來運(yùn)作。從下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方案的描述中，將更全面地理解本發(fā)明。該描述是參 考附圖來提供的。


圖1(a)到1(d)示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的材料的電子能帶結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2(a)到2(d)示出了根據(jù)本發(fā)明又一些實(shí)施方案的無帶隙半導(dǎo)體材料的電子能 帶結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個具體實(shí)施方案的極化光源；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的無帶隙半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)圖；圖5(a)和5(b)示出了根據(jù)本發(fā)明一個具體實(shí)施方案的材料的能帶結(jié)構(gòu)圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施方案的無帶隙半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)圖；圖7(a)和7(b)示出了根據(jù)本發(fā)明一個具體實(shí)施方案的材料的能帶結(jié)構(gòu)圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的電子器件；以及圖9示出了圖8中所示電子器件的功能。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施方案提供了一種無帶隙半導(dǎo)體材料，其被安排以用于受激電子和/ 或空穴載荷子的針對高達(dá)預(yù)定激發(fā)能量的全自旋極化。該無帶隙半導(dǎo)體材料結(jié)合了無帶隙 半導(dǎo)體躍遷的優(yōu)點(diǎn)與全自旋極化的優(yōu)點(diǎn)，因此開啟了針對新的或改進(jìn)的電子、磁、光、機(jī)械 和化學(xué)傳感器器件應(yīng)用的新途徑。參考圖1，現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的無帶隙半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)的具體 實(shí)施例。圖1(a)示出了根據(jù)本發(fā)明第一具體實(shí)施方案的無帶隙半導(dǎo)體材料的能帶圖的示 意圖。所示的能帶圖表現(xiàn)了該材料的色散關(guān)系(能量E與動量k的函數(shù)關(guān)系)。該能帶圖 示出了將價帶與導(dǎo)帶隔開的費(fèi)米能級&。該價帶被分成第一價帶部分VB1和第二價帶部分 VB2,該導(dǎo)帶被分成第一導(dǎo)帶部分CB1和第二導(dǎo)帶部分CB2。帶部分VB1和CB1代表具有第一 自旋極化的電子的可能的能態(tài)(energetic states)，帶部分VB2和CB2代表與相反的自旋 極化相關(guān)聯(lián)的可能的電子態(tài)(electronicstates)。在這個實(shí)施例中，帶部分VB1的最大值 和帶部分CB1的最小值以如下方式位于費(fèi)米能級，該方式使得從VB1到CB1進(jìn)行無帶隙躍遷 是可能的。在這個實(shí)施方案中，價帶部分VB2的最大值也位于費(fèi)米能級，但是導(dǎo)帶部分CB2的 最小值與價帶部分VB2的最大值間隔一帶隙。因此，對于從該價帶到該導(dǎo)帶的電子躍遷，如 果激發(fā)能量小于對應(yīng)于該帶隙的能量，則僅有的可用的空(empty)電子態(tài)是位于費(fèi)米能級 和( 最小值之間的能量的CB1電子態(tài)。在這種情況下，所有受激電子都是全極化的。該無帶隙半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級相對于能帶的能量位置可以被外部影響——例 如跨越該無帶隙半導(dǎo)體材料而施加的外部電壓——改變?？梢酝ㄟ^選擇費(fèi)米能級相對于能 帶的位置來控制載荷子濃度。例如，如果費(fèi)米能級相對于能帶被提升到低于CB2最小值的 位置，則導(dǎo)帶部分CB1具有全極化的占有電子態(tài)(occupied electronic state)。圖1(b)示出了根據(jù)本發(fā)明另一個具體實(shí)施方案的材料的能帶圖。在該實(shí)施方案 中，價帶部分VB1與導(dǎo)帶部分CB1間隔一帶隙，價帶部分VB2與導(dǎo)帶部分CB2也間隔一帶隙。 然而，在VB1和CB2之間沒有帶隙(或僅有能量小于0. IeV的小帶隙)。因此，在VB1和CB2 之間進(jìn)行無帶隙躍遷是可能的。這樣的無帶隙躍遷使電子從第一自旋方向(VB1的)轉(zhuǎn)變到 相反的自旋方向(CB2的)。對于從VB1或VB2到CB2的電子躍遷——其具有小于VB1和CB1 之間帶隙能量的能量，所有處于CB2的受激電子都是全自旋極化的。進(jìn)一步，VB1中對應(yīng)的 空穴載荷子也以相反的方向全極化。例如，費(fèi)米能級的位置可以被提升至稍高但低于CB1最小值的能量。在這種情況 下，CB2會包含全極化的占有電子態(tài)。另一方面，如果費(fèi)米能級稍微移位至一較低但高于VB2 最大值的位置，則在VB1中會產(chǎn)生全極化的空穴載荷子。所產(chǎn)生的空穴載荷子的極化與通 過提升費(fèi)米能級所產(chǎn)生的占有電子態(tài)的極化相反。因此，有可能通過使用外部影響控制費(fèi) 米能級位置來改變載荷子的類型以及它們的極化。圖1(c)示出了根據(jù)本發(fā)明又一個實(shí)施方案的無帶隙半導(dǎo)體材料的能帶圖。在這 種情況下，在VB1和乂化之間進(jìn)行無帶隙躍遷是可能的。CB2的最小值位于費(fèi)米能級，并且 VB2和CB2之間形成一帶隙。如果激發(fā)能量小于對應(yīng)于VB2和CB2之間帶隙的能量，則從VB1到CB1或CB2的電子躍遷會導(dǎo)致在VB1中產(chǎn)生全極化的空穴載荷子。進(jìn)一步，如果費(fèi)米能級 稍微降低一小于VB2和CB2之間帶隙的能量，則在VB1中會產(chǎn)生全極化的空穴載荷子。圖1(d)示出了根據(jù)本發(fā)明又一個實(shí)施方案的無帶隙半導(dǎo)體材料的能帶圖。在這 種情況下，在VB1和CB1之間進(jìn)行無帶隙躍遷是可能的，并且該帶隙被限定在VB2和CB2之 間。在這個實(shí)施方案中，費(fèi)米能級近似位于該帶隙的中間。如果激發(fā)能量小于對應(yīng)于該帶 隙能量的約一半的能量，則從VB1到CB1的電子躍遷會導(dǎo)致在CB1中產(chǎn)生全極化電子以及在 VB1中產(chǎn)生全極化的空穴載荷子。進(jìn)一步，如果費(fèi)米能級被稍微提升到低于CB2最小值的位 置，則在CB1中會產(chǎn)生全極化的電子態(tài)?；蛘撸绻M(fèi)米能級被降低到VB2最大值之上的位 置，則在VB 1中會產(chǎn)生全極化的空穴載荷子。圖1示出了呈拋物線色散關(guān)系的能帶。圖2示出了在假設(shè)色散關(guān)系是線性的情況 下所對應(yīng)的能帶圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個具體實(shí)施方案的極化光源的運(yùn)作。圖3示出了一種半 導(dǎo)體材料的能帶圖50。例如，該半導(dǎo)體材料可以是上面參考圖1所述的類型?；蛘撸摪雽?dǎo) 體材料可以不是無帶隙材料，而是可以針對每個電子自旋極化具有各自的帶隙。圖3示出了能帶圖50，其針對第一電子自旋方向具有價帶VB1和導(dǎo)帶CB1,針對第 二電子自旋方向具有價帶VB2和導(dǎo)帶CB2。在這個實(shí)施例中，第一帶隙被限定在VB1和CB1 之間，第二帶隙被限定在VB2*CB2之間。該第一帶隙小于該第二帶隙。步驟51-53表現(xiàn)了 電子激發(fā)、再結(jié)合以及極化光子的發(fā)射。在所描述的實(shí)施方案中，一光子源被用來把電子從 VB1激發(fā)到CB115該光子能量不足以把電子激發(fā)到CB2,電子從VB2激發(fā)到CB115因此，受激電 子和空穴態(tài)具有一種預(yù)定的自旋極化。接著，這些受激態(tài)的再結(jié)合導(dǎo)致極化光子的發(fā)射。該無帶隙半導(dǎo)體可以例如以AxByOz氧化物材料的形式被提供，這里A是1組、2組 或稀土元素，B是過渡金屬或III族、VI族、V族元素，參數(shù)x、y和ζ在0-4的范圍內(nèi)。在這個 實(shí)施例中，該無帶隙材料包括PbPd02。在這個實(shí)施方案中，該無帶隙半導(dǎo)體材料摻雜有鈷 (Co)離子，并且該P(yáng)bPdO2中的鈀(Pd)離子的約25%被鈷離子代替。圖4示出了該材料的 晶體結(jié)構(gòu)。發(fā)明人已經(jīng)觀察到，摻雜有鈷的PbPdO2是具有根據(jù)本發(fā)明的上述第二具體實(shí)施 方案的電子特性的無帶隙半導(dǎo)體材料。該P(yáng)bPdO2材料可以由PdO、PdO和CoCO3的粉末混合形成。該混合物然后被放在 托盤上(palletized)，然后在約600-900°C的溫度被燒結(jié)約3-10個小時。為了制造薄膜樣 品，可以初始形成Pb-Pd-Co-O的塊狀靶材(bulk target)，然后可以使用脈沖激光沉積方 法，在具有氧分壓(oxygen partial pressure)的氬氣氛中，在約400-900°C的溫度下，將該 薄膜材料沉積在合適的基材上。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，該無帶隙半導(dǎo)體材料可以以許多不同形式被提供?？傮w 上，具有所述特性的具體無帶隙半導(dǎo)體材料一般包括摻雜有合適的摻雜物——一般是磁性 離子——的無帶隙半導(dǎo)體材料。或者，該無帶隙半導(dǎo)體材料可以包括摻雜有如下磁性離子 的任何其他合適類型的材料，該磁性離子包括石墨烯(graphine)以及汞(Hg)基IV-VI材 料例如 HgCdTe、HgCdSe 或 HgZnSe。圖5(a)示出了 PbPdO2的電子能帶結(jié)構(gòu)，其是針對布里淵區(qū)(Brillouin zone)中 的高對稱性點(diǎn)而算出的。圖5(a)顯示在Γ點(diǎn)不存在禁帶或帶隙，這表明PbPdO2是典型的 直接無帶隙半導(dǎo)體(直接指的是越過帶隙的躍遷)。
圖5(b)示出了具有25%的鈷摻雜級的PbPdO2的自旋解析(spinresolved)電子 能帶結(jié)構(gòu)。圖5(b)中的實(shí)線表示“上旋(spin up)”電子的能帶結(jié)構(gòu)。圖5(b)中的虛線表 示“下旋(spin down)”電子的能帶結(jié)構(gòu)。圖4(b)示出了與圖1(b)所示電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān) 的電子能帶結(jié)構(gòu)。 圖5(b)示出了對于PbPdO2，上旋電子的最高價帶在Γ點(diǎn)接近于費(fèi)米能級。最低 導(dǎo)帶在U點(diǎn)以及在T點(diǎn)和Y點(diǎn)之間也接近于費(fèi)米能級。因此上旋電子的價帶(VB1)和下旋 電子的導(dǎo)帶(CB2)被示為間接無帶隙。圖5(a)和5(b)示出的能帶結(jié)構(gòu)是由合適的計算機(jī)軟件使用密度泛函理論 (density functional theory)來算出的。當(dāng)進(jìn)行這些計算時，設(shè)置下面的變量-局部密度近似(localdensity approximation)，用于交換-修正泛函 (exchange-correction functional)-具有96 個合計(summarised)k 點(diǎn)的 Monkhort-pack 網(wǎng)格(4X4X6)，用于以 340eV的截止能量和10_6的SFC公差進(jìn)行布里淵取樣-該能帶結(jié)構(gòu)的k點(diǎn)分離品質(zhì)(s印arationquality)，被設(shè)置為0. 015A—1-相對論性電子(relativistic electrons)，用于核心處理(coretreatment)圖6示出了又一種材料的晶體結(jié)構(gòu)。發(fā)明人已經(jīng)觀察到，YFeAsO是具有類似于上 述材料的特性的半導(dǎo)體材料。圖7 (a)和7(b)示出了這種材料的能帶結(jié)構(gòu)。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電子器件100。在這個實(shí)施方案中，該電子器 件包括元件102，該元件包括上述的無帶隙半導(dǎo)體材料。進(jìn)一步，電子器件100包括外部源 104，該外部源用于施加外部影響，從而使該無帶隙半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級的位置移位。在 這個實(shí)施方案中，該外部源以電壓源的形式被提供。電子器件100包括分離器106，該分離器被安排以使電子與空穴載荷子分離。分離 器106被安排以產(chǎn)生磁場。以圖8中箭頭所示方向移動經(jīng)過材料102的電子和空穴載荷子 在該磁場中由于霍爾效應(yīng)而彼此分離。這在圖9中被示意性地示出。盡管已經(jīng)參考具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明可 以以許多其他形式來實(shí)現(xiàn)。例如，該無帶隙半導(dǎo)體材料可以不是氧化物材料。進(jìn)一步，本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)理解，圖1和2中示出的能帶結(jié)構(gòu)圖僅是許多可能的變體的簡化實(shí)例。進(jìn)一 步，應(yīng)理解，自旋無帶隙材料的提供形式可以是具有或不具有摻雜的二維石墨烯，或者是任 何形式的石墨烯(grapheme)，也可以是具有導(dǎo)電表面的材料。
權(quán)利要求
1.一種無帶隙半導(dǎo)體材料，其具有能夠用電子能帶結(jié)構(gòu)來表征的電子特性，該電子能 帶結(jié)構(gòu)包括針對第一電子自旋極化的價帶部分VB1和導(dǎo)帶部分CB1，以及針對第二電子自旋 極化的價帶部分VB2和導(dǎo)帶部分CB2 ；其中，VB1具有第一能級，并且CB1和CB2中的一個具有第二能級，該第一能級和該第二 能級的位置使得在VB1與CB1和CB2中的所述一個之間進(jìn)行無帶隙電子躍遷是可能的，并且 其中，該無帶隙半導(dǎo)體材料被安排成使得在與CB1和CB2中的另一個之間限定了帶隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該第一能級是VB1的最大值，并且 該第二能級是CB1和CB2中的所述一個的最小值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其被安排為使得在沒有外部影響情 況下，費(fèi)米能級位于VB1的最大值附近。
4.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，VB1的能量最大值與 CB1和CB2中的所述一個的能量最小值具有在0-0. OleV,0-0. 02eV、0_0. 04eV、0_0. 05eV、 0-0. 06eV、0-0. 08eV或0-0. IeV的范圍內(nèi)的能量間隔。
5.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該無帶隙半導(dǎo)體材料 被安排成使得，通過控制費(fèi)米能級相對于能帶的位置，所述電子特性是可控的。
6.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該無帶隙半導(dǎo)體材料 被安排成使得，預(yù)定能量令費(fèi)米能級位置相對于能帶的移位導(dǎo)致產(chǎn)生全極化自由載荷子。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該預(yù)定能量在0至&或0至 0. 5Eg——Eg為帶隙能量——的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，帶隙能量&在0.2eV 至5eV或0. 2eV至!BeV的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其被安排成使得從VB1或VB2 激發(fā)到CB1或CB2的電子具有全自旋極化。
10.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其被安排成使得處于VB1或 VB2的空穴載荷子具有全自旋極化。
11.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，VB1的最大值和CB1W 最小值位于彼此附近，并且其中，帶隙&被限定在VB2和CB2之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該無帶隙半導(dǎo)體材 料被安排成使得，費(fèi)米能級相對于能帶的預(yù)定移位導(dǎo)致一種類型的全極化載荷子變?yōu)榱硪?種類型的全極化載荷子。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項或權(quán)利要求12所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，VB1的 最大值和CB2的最小值位于彼此附近，第一帶隙被限定在VB1和CB1之間，并且第二帶隙被限 定在VB2和CB2之間，并且其中，從VB1到CB2的無帶隙電子躍遷與自旋極化的改變相關(guān)聯(lián)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其被安排成使得從VB1激發(fā)到CB2的 電子針對高達(dá)如下的激發(fā)能量具有全自旋極化，該激發(fā)能量對應(yīng)于CB1的最小值與CB2的最 小值之間的能量差，并且VB1的對應(yīng)的空穴載荷子具有相反的全自旋極化。
15.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其包括摻雜有磁性離子的 間接或直接無帶隙半導(dǎo)體材料。
16.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其包括與從半金屬到磁性半導(dǎo)體的過渡相關(guān)聯(lián)的材料。
17.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其以氧化物材料的形式被提供。
18.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其以AxByOz的形式被提供， 這里A是1組、2組或稀土元素，B是過渡金屬，參數(shù)χ、y和ζ在0_4的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其包括鉛基氧化物。
20.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其包括I^bPd02。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其是摻雜有鈷離子的材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該鈷離子代替了一部分鈀離子。
23.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其包括石墨烯和汞基 IV-VI材料中的一種。
24.一種極化光源，該光源包括根據(jù)權(quán)利要求1-23中任一項所述的新型無帶隙半導(dǎo)體；激發(fā)源，其用于把電子從VB1激發(fā)到CB1和CB2中的所述一個，并且該激發(fā)源被安排成 使得激發(fā)能量不足以把電子從VB1激發(fā)到CB1和CB2中的所述另一個。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的極化光源，其中，該激發(fā)源是光子源。
26.根據(jù)權(quán)利要求M或25所述的極化光源，其中，該極化光源被安排成使得基本避免 從VB2到CB1或CB2的電子躍遷。
27.一種極化光源，該光源包括半導(dǎo)體材料，其具有能夠用電子能帶結(jié)構(gòu)來表征的電子特性，該電子能帶結(jié)構(gòu)包括針 對第一電子自旋極化的價帶部分VB1和導(dǎo)帶部分CB1,以及針對第二電子自旋極化的價帶部 分VB2和導(dǎo)帶部分CB2,其中，VB1JB2WB1和CB2具有如下安排的能級，該安排使得形成第一 帶隙和第二帶隙，該第一帶隙小于該第二帶隙；激發(fā)源，其用于激發(fā)電子越過該第一帶隙，并且該激發(fā)源被安排成使得激發(fā)能量不足 以激發(fā)電子越過該第二帶隙。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的極化光源，其中，VB1JB2XB1和CB2具有如下安排的能級， 該安排使得該第一帶隙被限定在VB1和CB1之間，并且該第二帶隙被限定在VB2和CB2之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或觀所述的極化光源，其中，該激發(fā)源被安排成用于把電子從VB1 激發(fā)到CB1，并且該激發(fā)源被安排成使得激發(fā)能量不足以把電子從VB2激發(fā)到CB2。
30.根據(jù)權(quán)利要求27-29中任一項所述的極化光源，其中，該激發(fā)源是光子源。
31.根據(jù)權(quán)利要求27-30中任一項所述的極化光源，其中，該極化光源被安排成使得基 本避免從VB1或VB2到CB2的激發(fā)。
32.一種無帶隙半導(dǎo)體材料，其包括氧化物材料，并具有能夠用電子能帶結(jié)構(gòu)來表征的 電子特性，該電子能帶結(jié)構(gòu)包括價帶VB和導(dǎo)帶CB ；其中，VB和CB的位置使得在VB和CB之間進(jìn)行無帶隙電子躍遷是可能的。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該氧化物材料是AxByA型，這里 A是1組、2組或稀土元素，B是過渡金屬，參數(shù)χ、y和ζ在0_4的范圍內(nèi)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該氧化物材料是ΑχΒγ(^\0 ζ型， 這里A和B是1組、2組或稀土元素，C和D是過渡金屬以及III族、VI族和V族中的元素，0是氧，參數(shù)x、y、z、q、t在0-12的范圍內(nèi)。
35.根據(jù)權(quán)利要求32-34中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該無帶隙半導(dǎo)體材 料是鉛基氧化物。
36.根據(jù)權(quán)利要求32-35中任一項所述的無帶隙半導(dǎo)體材料，其中，該無帶隙半導(dǎo)體材 料是 PbPdO2。
37.一種電子器件，其包括權(quán)利要求1-23中任一項或權(quán)利要求32-36中任一項所述的 無帶隙半導(dǎo)體材料。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的電子器件，其包括用于產(chǎn)生外部影響的部件，由此令該無 帶隙半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級位置相對于能帶而移位。
39.根據(jù)權(quán)利要求37或38所述的電子器件，其包括分離器，該分離器用于使受激極化 電子與空穴載荷子相互分離。
全文摘要
本公開文本提供了一種新型的無帶隙半導(dǎo)體材料，該材料具有能夠用電子能帶結(jié)構(gòu)來表征的電子特性，該電子能帶結(jié)構(gòu)包括針對第一電子自旋極化的價帶部分VB1和導(dǎo)帶部分CB1，以及針對第二電子自旋極化的價帶部分VB2和導(dǎo)帶部分CB2。價帶部分VB1具有第一能級，并且CB1和CB2中的一個具有第二能級，該第一能級和該第二能級的位置使得在VB1與CB1和CB2中的所述一個之間進(jìn)行無帶隙電子躍遷是可能的，并且其中，該無帶隙半導(dǎo)體材料被安排成使得在VB2與CB1和CB2中的另一個之間限定了帶隙。
文檔編號H01L49/00GK102047428SQ200980113359
公開日2011年5月4日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月12日
發(fā)明者王曉臨 申請人:臥龍崗大學(xué)