有机自组装分子单层对磁性半导体薄膜磁性的调控研究

This project aims to explore self-assembled monolayers (SAMs) of organic molecules as a pathway for the manipulation of the magnetism in Mn-doped GaAs/InAs thin films. Holes from Mn doping are known to mediate the ferromagnetic interaction in these magnetic semiconductors. Electrostatic gating, through modulation of the carrier density, has been shown to alter the magnetic properties of (Ga,Mn)As and (In,Mn)As films, albeit with limited tuning ranges. We will investigate the effects of molecular SAM on such ferromagnetic thin films with a focus on elucidating how it could modify the magnetization of magnetic semiconductor thin films after chemical treatment and subsequent molecule coverage on surface. The high areal molecular density of the SAMs may lead to extremely high carrier density modulation unreachable by electrostatic gating, possibly resulting in much more pronounced effects on magnetism. Through the use of dip-pen nanolithography (DPN), SAM patterns from sub-50 nanometer to 10 micrometer length scales can be readily created and used as nanostructures for ultrahigh-density information storage. This project combines two frontier fields: semiconductor spintronics and molecular surface science. The research could yield a new paradigm of magenetic semiconductor/molecular hybrid nano-electronics with novel electronic functionalities.

本项目旨在探索利用有机自组装分子单层对Mn掺杂GaAs/InAs薄膜磁性进行调控的途径。Mn掺杂引入的空穴导致这些磁性半导体中产生铁磁交换作用，可以通过外加电场调节载流子浓度来调控(Ga,Mn)As和(In,Mn)As薄膜的磁性，但是调控范围有限。本项目主要研究磁性半导体薄膜与有机自组装分子单层的界面效应对磁性薄膜的调控作用，重点弄清通过表面化学处理和分子层附着表面来改变半导体薄膜磁性的机制。有机分子层中非常高的局域分子浓度可以诱导磁性薄膜内发生较大的载流子浓度变化，从而对其磁性产生更大的影响，这一点是施加外电场所达不到的。利用纳米点样仪（DPN）很容易做到沉积从50纳米到10微米范围的自组装有机分子图案，可以作为制备高密度信息存储纳米器件的手段。本项目结合了半导体自旋电子学和分子表面科学两个前沿领域，将构建一种新型的基于磁性半导体/有机分子界面效应的纳米自旋电子功能器件。

随着各种表面化学和刻饰技术被成功地用于在金属、半导体和氧化物表面上形成纳米尺度的有机分子自组装单层，有机分子/固态异质纳米结构的研究得到迅速发展。在三五族稀磁半导体中，Mn掺杂引入的空穴导致局域Mn离子之间产生了铁磁交换作用，通常采用外加电场调节载流子浓度的方法来调控(III, Mn)V薄膜的磁性，但该方法对居里温度的调控范围很有限，最多只能达到十几K。我们系统地研究了通过分子界面处电荷转移所带来的额外电子或者空穴改变薄膜内的空穴浓度，从而改变其磁性质。不同的有机分子F4-TCNQ和MHA通过热蒸发和化学吸附手段分别附着到(Ga,Mn)As表面，提供空穴和电子的注入，诱导(Ga,Mn)As薄膜内发生较大的载流子浓度变化，从而增强和减弱半导体薄膜的磁性，使其居里温度变化最高达到36 K，这是靠施加外电场难以达到的。另外，我们利用纳米点样仪（DPN）在(Ga,Mn)As表面沉积从70纳米到10微米范围的自组装有机分子图案，可以作为制备高密度信息存储纳米器件的手段。本项目将分子概念引进半导体自旋电子学，旨在对半导体中电子自旋的注入、调控和检测等问题提供一个独特方案，从而为构建和优化半导体自旋电子器件功能开拓了一种新的途径。