多个团队同时提出一种调控半导体发光的新方法

来源：ScienceAAAS

原标题：Majmaah大学的Muhammad Arshad Kamran以及广西大学邹炳锁团队提出一种调控半导体发光的新方法

半导体的可调谐发光是半导体研究领域关注的热点问题之一，通过能隙工程，包括尺寸效应和组分合金制备、纳米结构组分效应、掺杂与微腔效应可以实现半导体的发光调谐。Majmaah大学的Muhammad Arshad Kamran以及广西大学邹炳锁团队提出了一种新的调控半导体发光的方法，通过磁性半导体中过渡金属离子间的自旋耦合来实现半导体的发光调谐，相关文章以Dual-Color Lasing Lines from EMPs in Diluted Magnetic Semiconductor CdS:NiI Structure为题，发表在Research（2019，DOI: 10.34133/2019/6956937）上。

研究背景

2018年，Science发布了全世界最前沿的125个科学问题，其中一个问

题是：是否可能制造出室温下的磁性半导体？

这个问题主要涉及到磁性的产生机制，还涉及到半导体的带隙大小、化合物的结构与掺杂等信息。对过渡金属离子铁磁耦合的离子团簇来讲，室温下的铁磁性在IIVI族半导体中遵守其局部结构对称性情况下离子耦合态主导磁性时从来不是个问题，但是其他的由载流子的相互作用导致的磁性却可能较难实现高温磁性。因此“磁性半导体的磁性本质是什么?”这才是磁性半导体研究的第一个关键问题。人们大多关注磁性半导体中其基态电子的自旋极化行为，而较少关注其激发态或者激子的自旋极化行为。这二者的区别展现出的是人们关心的到底是自旋激子性质还是自旋电子性质作为磁性半导体物性本质？如带隙与能带结构可能是划分它们的关键要素，此时是激子还是载流子决定它们的行为，才是人们关注的核心问题。对宽带隙稀磁半导体而言，显然关注前者才更有价值，因为激子的稳定性更高。

研究进展与展望

与自旋极化电子的空间效应和微观相互作用相比，宽带隙稀磁磁性半导体的自旋极化激子的相干效应产生需要的条件更低，也可能更有实用价值，现有实验证明了稀疏的自发铁磁磁矩能固定自由激子产生EMP（excitonic magnetic polaron），这种磁化激子元激发能极化周围的激子和自由自旋，诱导出更大的EMP集合体，并产生玻色子激光发射。这类似于激子极化激元的单模激射，激射出自于一种自旋相干的宏观量子态。本文的实验结果还证明了两种不同的自旋极化激子宏观态可以共存，体现了玻色子的兼容性，而不是光学微腔光子耦合的激子复合。这一现象与自旋极化电子态因泡利不相容原理具有排他性完全不同。

众所周知，声子、磁子和激子都是玻色子，声子极化激元、磁子极化激元与激子极化激元都存在，可以凝聚。然而它们是否可以在特定尺寸的磁性半导体微结构中实现它们复合的极化激元？条件是什么？是否更易导致凝聚？答案是正面的。与激子极化激元类似，它是否可以认作自旋极化激元，有发生凝聚的可能？急需理论回答。

在以往工作中，邹炳锁教授团队发现了一系列宽带隙半导体微米结构中激子与自旋耦合产生的自旋极化激子态及其关联聚集行为。在本文中作者通过CVD生长方法制备了Ni（II）和I离子掺杂的稀磁半导体微米带，Ni离子在百分之四以下，I离子更少。当用飞秒激光激发下它实现了远距双色的EMP单模激射行为，证明其中离域和部分局域自旋极化激子而不是自旋极化载流子决定其发光和激射行为，而且铁磁耦合的自旋而不是光学微腔为这种激子的聚集或集体行为提供了动力，这为今后磁性半导体和激子凝聚态研究指明了一个新方向，有可能推进磁性半导体在量子调控和新型光源方面的应用（图1、图2）。

图1  NiI掺杂CdS晶格中不同激发态的空间分布图

图2  CdSNiI2 NB的电子结构，其中含有NiI2的纳米团簇