日本科学家研制高温铁磁半导体 530K居里温度破纪录，未来内存要起飞

麻薯滑芝士 · 发表于昨天 12:44

用手机电脑的时候，是不是特烦它们待机也偷偷耗电？或者嫌存东西不够快不够稳？现在有个新研究，可能给未来的电子设备带来大变化。日本东京科学研究所的一帮科学家，领头的是范玉海（越南籍）教授，他们最近搞出来一种特别的半导体材料，能在比以前高得多的温度下保持磁性。这玩意儿，可能就是解决上面那些烦心事儿的关键一步。

这种材料叫铁磁半导体（FMS）。简单说，它既有普通半导体能导电的特性，又有像磁铁那样的磁性。这种二合一的本事，让它特别适合用来做一种叫“自旋电子学”（或者叫磁电子学）的器件。这种器件不光利用电子的电荷，还利用电子的“自旋”来干活，好处多多：几乎不偷跑电（待机漏电极低）、用电少、寿命超长、读写速度快，而且断电了信息也不丢（非易失性）。像磁阻内存（MRAM）这种可能成为“万能内存”的技术，就得靠这类材料。

但是呢，之前这类材料有个大麻烦：温度一高就不行了。这里说的“温度高”，指的是接近或者超过咱们平常的室温（大概300K，也就是27℃左右）。这个关键温度点叫“居里温度”（Tc）。在这个温度以上，材料就失去永久的磁性，变成顺磁性了。以前一些有希望的材料，比如掺了铁的III-V族半导体，像(铟,铁)锑（(In,Fe)Sb）或者(镓,铁)锑（(Ga,Fe)Sb），理论上居里温度可以很高，但实际操作起来难得很。为啥？因为你想往材料里塞足够多的铁原子（铁是磁性来源），好让它磁性够强、居里温度够高，但塞多了，材料的晶体结构就容易坏掉，性能就崩了。

早些年，像(镓,锰)砷（(Ga,Mn)As）这种材料，居里温度就很低，根本没法在室温下好好工作。后来虽然有人把居里温度搞到了420K（约147℃），这比室温高了不少，但离真正稳定可靠地用在日常设备里，还是差点意思。

东京科学研究所的范玉海教授团队这次找到了新办法。他们用一种叫“台阶流生长”的技术，在一种稍微有点斜（偏离晶轴大约10度）的砷化镓（GaAs）基板上，生长出了(镓,铁)锑（(Ga,Fe)Sb）的薄膜。这个法子很关键，它让他们能往材料里加进去高达24% 的铁，而且材料的晶体结构还保持得很好，没被破坏。

靠着这手绝活，他们做出了成分为(镓₀.₇₆铁₀.₂₄)锑（(Ga₀.₇₆Fe₀.₂₄)Sb）的薄膜。测出来的居里温度在470K到530K（约197℃到257℃）之间，最高达到了530K。这个温度，比之前所有报道过的铁磁半导体材料都要高，实实在在破了纪录。

范玉海教授解释说：“以前做(镓,铁)锑样品，铁掺多了晶体质量就保不住，这问题一直很头疼。我们这次用了在斜切基板上的台阶流生长技术，成功解决了这个难题，做出了世界上居里温度最高的铁磁半导体。”

为了确认材料的磁性表现，研究团队用了“磁圆二色谱”这种测量方法。这方法能探测光和材料里自旋方向一致的电子状态是怎么相互作用的。他们还用了“阿洛特曲线”来分析磁化数据，这能帮他们精确找出材料开始表现出磁性的那个温度点（也就是居里温度）。

测量结果显示，样品里每个铁原子的磁矩大约是4.5 μB（玻尔磁子）。这个数值，已经非常接近理论预测的、在闪锌矿结构里铁³⁺离子（Fe³⁺）的理想磁矩值5 μB了。要知道，普通金属铁（α-Fe）的磁矩也就大约2.2 μB，这个新材料里铁原子的磁矩差不多是它的两倍！

他们还测试了材料的“抗造”能力。一片只有9.8纳米厚的薄膜，在空气中敞开放了1年半（18个月）之后，再去测，发现它依然保持着很强的磁性。不过，居里温度稍微降了点，从原来的高点降到了470K。

范教授补充道：“我们的结果证明了，制造出与室温操作兼容的高居里温度铁磁半导体是可行的。这是实现实用化自旋电子器件的关键一步。” 这个工作展示了，只要精细控制材料的生长方法和设计，就能做出更实用、性能更强的半导体材料，为未来的自旋电子学铺路。

这项研究的详细内容，发表在2025年7月5日那期的《应用物理学快报》（Applied Physics Letters）上，卷号是126，期号是16。消息来源是东京科学研究所和美国物理联合会出版社（AIP Publishing）。

所以你看，科学家们在材料上的一点点突破，可能就藏着未来让咱们的手机电脑更快、更省电、更耐用的钥匙呢。