我們能否制造出在室溫下同時顯示鐵磁體和半導體特性的材料？

（更多未解決的物理問題）

磁性半導體是同時具有鐵磁性（或類似響應）和有用的半導體特性的半導體材料。 如果在設備中實現，這些材料可以提供一種新型的傳導控制。 傳統電子設備基于對電荷載流子（n 型或 p 型）的控制，而實用的磁性半導體還允許控制量子自旋態（向上或向下）。 這在理論上將提供接近全自旋極化（與鐵和其他金屬相反，它們僅提供約 50% 的極化），這是自旋電子學應用的重要特性，例如 自旋晶體管。

雖然磁鐵礦等許多傳統磁性材料也是半導體（磁鐵礦是帶隙為 0.14 eV 的半金屬半導體），但材料科學家普遍預測，如果磁性半導體與發展良好的半導體材料相似，它們才會得到廣泛應用。 為此，稀磁半導體 (DMS) 最近成為磁性半導體研究的主要焦點。 它們基于傳統的半導體，但摻雜了過渡金屬而不是電子活性元素，或者除了電子活性元素之外。 它們因其獨特的自旋電子學特性和可能的技術應用而受到關注。 摻雜的寬帶隙金屬氧化物，如氧化鋅 (ZnO) 和氧化鈦 (TiO2)，因其在光磁應用中的多功能性而成為工業 DMS 的最佳候選者。 特別是，具有可視區域透明性和壓電性等特性的基于 ZnO 的 DMS 作為制造自旋晶體管和自旋極化發光二極管的有力候選者引起了科學界的極大興趣，而銅摻雜 TiO2 進一步預測該材料的銳鈦礦相會表現出有利的稀磁性。

Hideo Ohno 和他在東北大學的團隊率先測量了過渡金屬摻雜化合物半導體的鐵磁性，例如摻有錳的砷化銦和砷化鎵（后者通常稱為 GaMnAs）。 這些材料表現出相當高的居里溫度（但低于室溫），居里溫度隨 p 型載流子的濃度而變化。 從那時起，人們就測量了摻雜不同過渡原子的各種半導體主體的鐵磁信號。

Dietl 等人的開創性工作。 表明改進的齊納磁性模型很好地描述了載流子依賴性以及 GaMnAs 的各向異性特性。同一理論還預測室溫鐵磁性應該存在于分別由 Co 和 Mn 摻雜的重 p 型摻雜 ZnO 和 GaN 中。 在做出這些預測之后，對各種氧化物和氮化物半導體進行了一系列理論和實驗研究，這些研究顯然似乎證實了幾乎任何重度摻雜過渡金屬雜質的半導體或絕緣體材料的室溫鐵磁性。然而，早期的密度泛函理論 (DFT) 研究因帶隙誤差和過度離域的缺陷水平而蒙上陰影，更先進的 DFT 研究駁斥了以前對鐵磁性的大部分預測。同樣，已經表明，對于磁性半導體的大多數基于氧化物的材料研究不表現出本征載流子 -介導的鐵磁性，由 Dietl 等人假設。迄今為止，GaMnAs 仍然存在 ns 是xxx一種在 100-200 K 左右的相當高的居里溫度下具有強健的鐵磁性共存的半導體材料。

材料的可制造性取決于摻雜劑在基材中的熱平衡溶解度。 例如，許多摻雜劑在氧化鋅中的溶解度足以大批量制備材料，而其他一些材料的摻雜劑溶解度非常低，因此必須采用熱非平衡制備機制來制備具有足夠高摻雜劑濃度的材料，例如 薄膜的生長。

已經在廣泛的半導體基材料中觀察到xxx磁化。其中一些材料在載流子濃度和磁化之間表現出明顯的相關性，包括 T 的工作。 Story 和同事證明了 Mn2+ 摻雜的 Pb1?xSnxTe 的鐵磁居里溫度可以通過載流子濃度來控制。 Dietl 提出的理論需要空穴情況下的電荷載流子來調節原型磁性半導體（Mn2+ 摻雜 GaAs）中錳摻雜劑的磁耦合。 如果磁性半導體中的空穴濃度不足，則居里溫度會很低或僅表現出順磁性。