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全球最薄透明磁性半導(dǎo)體問世

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

日本物質(zhì)材料研究機構(gòu)(NIMS)現(xiàn)已開發(fā)出一種新型薄膜狀透明磁性半導(dǎo)體(圖1),如果采用多層結(jié)構(gòu),在紫外線到可見光區(qū)域具有很強的磁光效應(yīng)(Magnetooptic Effect)。準(zhǔn)備將其應(yīng)用于使用波長不足500nm短波長光的大容量光通信和光信息處理元件。


原料為光觸媒TiO2

  NIMS此次開發(fā)的半導(dǎo)體是通過在Ti1-δO2(即將業(yè)界知名的光觸媒材料TiO2做成薄膜狀)中添加Co和Fe磁性元素而制成的Ti0.8Co0.2O2和Ti0.6Fe0.4O2(以下以Ti0.8Co0.2O2為代表)。厚度約為1nm,“作為透明磁性材料,在迄今開發(fā)的材料中最薄”(NIMS物理研究所軟化學(xué)研究小組主任研究員長田實)。將這種材料重疊10層后,結(jié)果對紅外線至可視光(波長為280~380nm)區(qū)域的光線表現(xiàn)了很強的法拉第效應(yīng)(Faraday Effect)及克爾效應(yīng)(Kerr Effect)。
  法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)均為磁性體和光相互作用而表現(xiàn)出的一種磁光效應(yīng)。前者是指通過磁性體的光線偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,現(xiàn)已應(yīng)用于光纖通信使用的光隔離器(Optical Isolator)等領(lǐng)域。而克爾效應(yīng)則是磁性體反射的光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,現(xiàn)已應(yīng)用于MO光盤的數(shù)據(jù)讀取等用途。
  
法拉張效應(yīng)是現(xiàn)有材料的10倍

  Ti0.8Co0.2O2大體上具有如下4個特點:(1)具有磁光效應(yīng)的波長(響應(yīng)波長)短,為280~380nm;(2)磁光效應(yīng)強度高;(3)可通過改變添加的磁性元素各類和層疊數(shù),控制其特性;(4)易于實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)。
  作為特點(1)所說的響應(yīng)波長,Ti0.8Co0.2O2比現(xiàn)已在光隔離器領(lǐng)域得到實際應(yīng)用的YIG和GdBiIG等石榴石類材料(1.3~1.5μm),以及CdMnTe等現(xiàn)有磁性半導(dǎo)體(0.6~1μm)都要短(圖2)。因此,有望應(yīng)用于傳輸容量大于現(xiàn)有方式的光隔離器和數(shù)據(jù)記錄密度較高的MO光盤等使用波長500nm以下光線的光通信和光信息處理元件。
  特點(2)是指,10層Ti0.8Co0.2O2所表現(xiàn)出來的法拉張效應(yīng)強度(法拉第旋轉(zhuǎn)角)為10000度。由此表明,光線在Ti0.8Co0.2O2中每行進1cm,偏振面就會旋轉(zhuǎn)10000度。大約相當(dāng)于響應(yīng)波長1.3~1.5μm的GdBiIG的10倍。
  
  通過改變添加元素和層疊數(shù),控制特性

  特點(3)是指,通過改變所添加的磁性元素各類和層疊數(shù),能夠控制法拉第旋轉(zhuǎn)角、響應(yīng)頻度等特性。比如,通過交替層疊Ti0.8Co0.2O2和Ti0.6Fe0.4O2,并改變不同的層疊數(shù),有望擴大響應(yīng)波長?!暗玫降臄?shù)據(jù)表明,在新一代光盤所使用的藍光(波長450nm)條件下能夠產(chǎn)生很強的磁光效應(yīng)”(長田)。
  特點(4)是指,能夠按照下面的步驟輕松形成多層結(jié)構(gòu)。首先,將玻璃底板浸入帶正電荷的高分子溶液。然后,將玻璃底板從高分子溶液中拿出來,浸入Ti0.8Co0.2O2溶液中。由于Ti0.8Co0.2O2帶負電荷,因此就會因靜電吸力而吸附到隨著在玻璃底板上的高分子膜上。按照這樣的步驟即可形成單層層疊,如此反復(fù),就能形成能夠得到所需特性的層數(shù)(圖3)。而要想改變石榴石類材料和現(xiàn)有磁性半導(dǎo)體材料的特性,則必須改變層疊膜的組成和結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

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