(57)【要約】  本発明は、電子バンド構造によって特徴付けられ得る電子物性を有する新型のギャップレス半導体材料であって、電子バンド構造が、第１の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ1及びＣＢ1をそれぞれ含み、並びに第２の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ2及びＣＢ2をそれぞれ含む、新型のギャップレス半導体材料を提供する。価電子帯部分ＶＢ1は第１エネルギー準位を有し、ＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つが、ＶＢ1とＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つとの間でギャップレス電子遷移が可能となるように位置する第２エネルギー準位を有し、並びにエネルギーバンドギャップがＶＢ2とＣＢ1及びＣＢ2のうちのもう一方との間で規定されるように、ギャップレス半導体材料が調製されている。
2011519151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子バンド構造によって特徴付けられ得る電子物性を有するギャップレス半導体材料であって、該電子バンド構造が、第１の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ1及びＣＢ1をそれぞれ含み、並びに第２の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ2及びＣＢ2をそれぞれ含み、
ＶＢ1が第１エネルギー準位を有し、ＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つが、ＶＢ1と該ＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つとの間でギャップレス電子遷移が可能となるように位置した第２エネルギー準位を有し、並びに該ギャップレス半導体材料が、該エネルギーバンドギャップがＶＢ2とＣＢ1及びＣＢ2のうちのもう一方との間で規定されるように調製された、
ギャップレス半導体材料。
【請求項２】
該第１エネルギー準位がＶＢ1の最高位置であり、該第２エネルギー準位がＣＢ1及びＣＢ2のうちのどちらかの最低位置である、請求項１に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項３】
フェルミ準位が、外的影響無しに、ＶＢ1の最高位置付近に位置している、請求項１または２に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項４】
ＶＢ1のエネルギー最高位置と該ＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つのエネルギー最低位置とが、０〜０．０１ｅＶ、０〜０．０２ｅＶ、０〜０．０４ｅＶ、０〜０．０５ｅＶ、０〜０．０６ｅＶ、０〜０．０８ｅＶ、または０〜０．１ｅＶの範囲のエネルギー分離を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項５】
該エネルギーバンドに対して該フェルミ準位の位置を制御することによって電子物性が制御可能となるように調製された、請求項１〜４のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項６】
所定のエネルギーによる該エネルギーバンドに対する該フェルミ準位の位置のシフトが完全偏極した自由電荷担体の発生をもたらすように調製された、請求項１〜５のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項７】
該所定のエネルギーが０ｅＶ〜ＥG、または０ｅＶ〜０．５ＥGの範囲内にある、請求項６に記載のギャップレス半導体材料（ＥGはバンドギャップのエネルギー）。
【請求項８】
該バンドギャップのエネルギーＥGが、０．２〜５ｅＶ、または０．２〜３ｅＶの範囲内にある、請求項１〜７のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項９】
ＶＢ1またはＶＢ2からＣＢ1またはＣＢ2に励起された電子が完全スピン偏極を有するように調製された、請求項１〜８のいずれか一項に記載のギャップレス半導体。
【請求項１０】
ＶＢ1またはＶＢ2内の正孔電荷担体が完全スピン偏極を有するように調製された、請求項１〜９のいずれか一項に記載のギャップレス半導体。
【請求項１１】
ＶＢ1の最高位置とＣＢ1の最低位置とが互いに近くに位置し、並びに該バンドギャップＥGがＶＢ2とＣＢ2との間で規定される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項１２】
該エネルギーバンドに対する該フェルミ準位の所定のシフトが、完全偏極した電荷担体の１つの種類を完全偏極した電荷担体の他の種類に変化させるように調製された、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項１３】
ＶＢ1の最高位置とＣＢ2の最低位置が互いに近くに位置し、第１のバンドギャップがＶＢ1とＣＢ1の間で規定され、第２のバンドギャップがＶＢ2とＣＢ2との間で規定され、ＶＢ1からＣＢ2へのギャップレス電子遷移がスピン偏極の変化を伴う、請求項１〜１０及び１２のいずれか一項に記載のギャップレス半導体。
【請求項１４】
ＶＢ1からＣＢ2へ励起された電子が、ＣＢ1の最低位置及びＣＢ2の最低位置の間のエネルギー差に対応する励起エネルギーによる完全スピン偏極を有し、且つＶＢ1の対応する正孔電荷担体が反対向きの完全スピン偏極を有するように調製された、請求項１３に記載のギャップレス半導体。
【請求項１５】
磁性イオンでドープされた間接または直接ギャップレス半導体材料を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項１６】
半金属から磁性半導体への転移を伴う材料を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項１７】
酸化物材料の形態で提供される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項１８】
ＡxＢyＯz（式中、Ａは１族、２族、または希土類元素であり、Ｂは遷移金属であり、並びにパラメーターｘ、ｙ、及びｚは０〜４の範囲内である）の形態で提供される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項１９】
鉛系酸化物を含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項２０】
ＰｂＰｄＯ2を含む、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項２１】
コバルトイオンでドープされた材料である、請求項２０に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項２２】
該コバルトイオンがパラジウムイオンの一部を置換した、請求項２１に記載のギャップレス半導体。
【請求項２３】
グラフェン及びＨｇ系ＩＶ−ＶＩ族材料を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項２４】
偏光源であって、
請求項１〜２３のいずれか一項に記載の新型のギャップレス半導体；
ＶＢ1から該ＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つに電子を励起し、且つ励起エネルギーが、ＶＢ1からＣＢ1及びＣＢ2のうちのもう一方に電子を励起するのに不十分であるように調製された励起源、
を含む、偏光源。
【請求項２５】
該励起源が光子源である、請求項２４に記載の偏光源。
【請求項２６】
ＶＢ2からＣＢ1またはＣＢ2のいずれかへの電子遷移が実質的に回避されるように調製された、請求項２４または２５に記載の偏光源。
【請求項２７】
偏光源であって、
電子バンド構造によって特徴付けられ得る電子物性を有する半導体材料であって、該電子バンド構造が、第１の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ1及びＣＢ1をそれぞれ含み、並びに第２の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ2及びＣＢ2をそれぞれ含み、ＶＢ1、ＶＢ2、ＣＢ1、及びＣＢ2が、第１及び第２のバンドギャップが形成され、該第１のバンドギャップが該第２のバンドギャップよりも小さくなるように調製されたエネルギー準位を有する、半導体材料；並びに
該第１のバンドギャップを超えて電子を励起し、且つ励起エネルギーが該第２のバンドギャップを超えて電子を励起するためには不十分であるように調製された励起源、
を含む、偏光源。
【請求項２８】
ＶＢ1、ＶＢ2、ＣＢ1、及びＣＢ2が、該第１のエネルギーバンドギャップがＶＢ1とＣＢ1との間で規定され、並びに該第２のエネルギーバンドギャップがＶＢ2とＣＢ2との間で規定されるように調製されたエネルギー準位を有する、請求項２７に記載の偏光源。
【請求項２９】
該励起源が、ＶＢ1からＣＢ1に電子を励起し、並びにＶＢ2からＣＢ2へ電子を励起するには励起エネルギーが不十分であるように調製された、請求項２７または２８に記載の偏極光子源。
【請求項３０】
該励起源が光子源である、請求項２７〜２９のいずれか一項に記載の偏光源。
【請求項３１】
ＶＢ1またはＶＢ2からＣＢ2への励起が実質的に回避されるように調製された、請求項２７〜３０のいずれか一項に記載の偏光源。
【請求項３２】
酸化物材料を含み、並びに価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢを含む電子バンド構造によって特徴付けられ得る電子物性を有するギャップレス半導体材料であって、
ギャップレス電子遷移がＶＢとＣＢとの間で可能であるようにＶＢ及びＣＢが位置する、
ギャップレス半導体材料。
【請求項３３】
該酸化物材料がＡxＢyＯz（式中、Ａは１族、２族、または希土類元素であり、Ｂは遷移金属であり、並びにパラメーターｘ、ｙ、及びｚは０〜４の範囲内である）で表される、請求項３２に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項３４】
該酸化物材料がＡxＢyＣzＤqＯt（式中、Ａ及びＢは１族、２族、または希土類元素であり、Ｃ及びＤは遷移金属並びにＩＩＩ、ＩＶ、及びＶ族の元素であり、Ｏは酸素であり、並びにパラメーターｘ、ｙ、ｚ、ｑ、ｔは０〜１２の範囲内である）で表される、請求項３３に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項３５】
鉛系酸化物である、請求項３２〜３４のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項３６】
ＰｂＰｄＯ2である、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料。
【請求項３７】
請求項１〜２３のいずれか一項または請求項３２〜３６のいずれか一項に記載のギャップレス半導体材料を含む電子デバイス。
【請求項３８】
外的影響を発生して、それによってエネルギーバンドに対する該ギャップレス半導体材料のフェルミ準位の位置をシフトさせるための部品を含む、請求項３７に記載の電子デバイス。
【請求項３９】
励起された偏極電子と正孔電荷担体とを互いに分離するためのセパレーターを含む、請求項３７または３８に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料に広く関連し、特にギャップレス半導体材料に関連する。
【背景技術】
【０００２】
電子のスピン状態及び電荷の両方を利用する技術分野は一般に「スピントロニクス」と呼ばれる。スピントロニクス用途に現在用いられている材料は、希薄磁性半導体、強磁性材料、及び半金属材料である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
希薄磁性半導体は、ほとんどの場合、１００％の電子スピン偏極を達成せず、可動電子の速度は電子散乱のために減少する。希薄磁性半導体はまた、ある程度のスピン偏極を示すために強磁性でなければならないため、現在、比較的低温での使用に限定されている。
【０００４】
導電性強磁性材料も、スピントロニクス用途のスピン偏極電流を形成するために使用され得るが、１００％の電子スピン偏極を達成することができない。この場合も先と同様に、電子散乱のために、電子の可動性が減少する。さらに、強磁性材料は半導体ではないため、それらの用途は、スピンバルブなどの特定のスピントロニクスデバイスに限定される。
【０００５】
半金属材料は、１００％のスピン偏極を達成するために用いられ得るが、電荷担体及びそれらの濃度を調整または制御することができない。そのため、半金属材料を半導体系のスピントロニクスデバイス用途に使用することができない。
【０００６】
技術の進歩についての必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１態様において、電子バンド構造によって特徴付けられ得る電子物性を有するギャップレス半導体材料であって、電子バンド構造が、第１の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ1及びＣＢ1をそれぞれ含み、並びに第２の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ2及びＣＢ2をそれぞれ含み、
ＶＢ1が第１エネルギー準位を有し、ＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つが、ＶＢ1とＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つとの間でギャップレス電子遷移が可能となるように位置した第２エネルギー準位を有し、並びにギャップレス半導体材料が、エネルギーバンドギャップがＶＢ2とＣＢ1及びＣＢ2のうちのもう一方との間で規定されるように調製された、
ギャップレス半導体材料を提供する。
【０００８】
本明細書では、「ギャップレス」という用語は、約０．１ｅＶまたは０．１ｅＶ未満のエネルギーギャップを表すために用いられる。
【０００９】
ギャップレス半導体材料は概して、フェルミ準位が、外的影響無しに、ＶＢ1の最高位置付近に位置するように調製される。
【００１０】
第１エネルギー準位が概してＶＢ1の最高位置であり、第２エネルギー準位が概してＣＢ1及びＣＢ2のうちのどちらかの最低位置である。
【００１１】
本明細書では、「外的影響」という用語は、ギャップレス半導体材料の電子バンドに対してフェルミ準位のシフトをもたらす任意の力、場等を表すために用いられる。例えば、外的影響は、ギャップレス半導体材料にわたって適用される電圧を伴う電場の形態で提供され得る。
【００１２】
ギャップレス電子遷移は、非常に小さい励起エネルギーのみを必要とし、ＶＢ1とＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つとの間で可能である。一方で、エネルギーギャップは、ＶＢ2とＣＢ1及びＣＢ2のうちのもう一方との間で規定され、ＶＢ2からＣＢ1またはＣＢ2への電子励起のためのエネルギーが必要である。そのため、ギャップレス半導体材料は、ギャップレス電子励起が可能であり、そして全ての励起された電子及び／または正孔電荷担体が、所定の励起エネルギーによって、同じスピン偏極を有するという顕著な利点を有する。
【００１３】
バンドギャップは、直接または間接バンドギャップであることができる。さらに、ギャップレス遷移は、直接または間接遷移であることができる。
【００１４】
ギャップレス電子遷移が可能であるため、ギャップレス半導体材料の電子物性は概して、外部の磁場または電場、温度または圧力、光、及び歪みなどの外的影響の変化に非常に敏感である。完全スピン偏極は電子散乱確率を減少し、それ故に、電子可動性が概して比較的大きく、例えば従来の半導体材料の電子可動性よりも１〜２桁大きい。本発明の実施態様によるギャップレス半導体材料は、半導体材料におけるギャップレス電子遷移の利点と完全スピン偏極とを兼ね備えるため、新しいまたは改良された「スピントロニクスの」電子、磁気、光学、機械、及び化学センサーデバイス用途などの新しい用途への道を開く。
【００１５】
ＶＢ1のエネルギー最高位置とＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つのエネルギー最低位置とは、例えば、０〜０．０１ｅＶ、０〜０．０２ｅＶ、０〜０．０４ｅＶ、０〜０．０５ｅＶ、０〜０．０６ｅＶ、０〜０．０８ｅＶ、または０〜０．１ｅＶの範囲のエネルギー分離を有し、また若干の重なりを有してもよい。
【００１６】
前記所定のエネルギーは、互いに関連したエネルギーバンド部分のエネルギー位置に依存する。前記所定のエネルギーは概して、０ｅＶ〜ＥG、または０ｅＶ〜０．５ＥGの範囲内である（ＥG：バンドギャップエネルギー）。バンドギャップエネルギーＥGは概して、０．２〜５ｅＶ、または０．２〜３ｅＶの範囲内にある。
【００１７】
ギャップレス半導体材料は概して、エネルギーバンドに対してフェルミ準位の位置を制御することによって電子物性が制御可能であるように調製される。例えば、ギャップレス材料は、所定のエネルギーによるエネルギーバンドに対するフェルミ準位の位置のシフトが完全偏極した自由電荷担体の発生をもたらすように、調製され得る。１つの具体例において、ギャップレス半導体材料は、エネルギーバンドに対するフェルミ準位の所定のシフトが、完全偏極した電荷担体の１つの種類を、偏極の変化を有して及び有さないで完全偏極した電荷担体の他の種類に変化させるように、調製される。
【００１８】
ギャップレス半導体は、ＶＢ1またはＶＢ2からＣＢ1またはＣＢ2に励起された電子が完全スピン偏極を有するように、調製され得る。別法では、または加えて、ギャップレス半導体は、ＶＢ1またはＶＢ2の正孔電荷担体が完全スピン偏極を有するように、調製さ得る。
【００１９】
本発明の第１実施態様において、ＶＢ1の最高位置とＣＢ1の最低位置は互いに近くに位置し、概してフェルミ準位の近くに位置する。この実施態様において、バンドギャップＥGはＶＢ2とＣＢ2との間で規定される。例えば、ＶＢ2の最高位置はフェルミ準位に位置することができ、ＣＢ2の最低位置はフェルミ準位よりもエネルギーＥGだけ上に位置することができる。この場合において、ＶＢ1からＣＢ1に励起された全ての電子は、最大ＥGの励起エネルギーについての同じスピン偏極を有する。別法では、ＣＢ2の最低位置はフェルミ準位に位置することができ、あるいはＶＢ2の最高位置はフェルミ準位より下に位置することができる。この場合において、全てのＶＢ1内の正孔電荷担体は、最大ＥGの励起エネルギーについての同じスピン偏極を有する。さらなる例において、フェルミ準位が実質的にバンドギャップの中央に位置するように、材料が調製され得る。この場合には、ＶＢ1からＣＢ1に励起された全ての電子は、最大０．５ＥGの励起エネルギーについての同じスピン偏極を有し、また、ＶＢ1内の全ての対応する正孔電荷担体は同じスピン偏極を有する。
【００２０】
本発明の第２実施態様において、ＶＢ1の最高位置とＣＢ2の最低位置は互いに近くに位置し、概してフェルミ準位の近くに位置する。この実施態様において、第１のバンドギャップはＶＢ1とＣＢ1との間で規定され、第２のバンドギャップは概してＶＢ2とＣＢ2との間で規定される。ＶＢ1からＣＢ2へのギャップレス電子遷移が、スピン偏極における変化を伴う。この実施態様において、ギャップレス半導体材料は、ＶＢ1からＣＢ2へ励起された電子が、ＣＢ1の最低位置とＣＢ2の最低位置との間のエネルギー差に対応する励起エネルギーによる完全スピン偏極を有し、且つＶＢ1の対応する正孔電荷担体が反対向きの完全スピン偏極を有するように、調製される。
【００２１】
本発明の上述の第２実施態様において、ギャップレス半導体材料は概して、フェルミ準位が、ＶＢ1の最高位置よりも下から、ＶＢ2の最高位置またはそれよりも上の位置の間で、外的影響によってシフトする場合、完全偏極した正孔電荷担体がＶＢ1内に生成するように、調製される。さらに、フェルミ準位が、ＶＢ1の最高位置よりも上から、ＣＢ2の最低位置またはそれよりも下の位置の間で、外的影響によってシフトする場合、ＣＢ2が、フェルミ準位を下げることによって生成したＶＢ1内の偏極した正孔電荷担体の方向とは反対の方向に完全偏極した電子を含むように、ギャップレス半導体材料は概して調製される。
【００２２】
ギャップレス半導体材料は、少なくとも部分的に、運動量の実質的に二次関数である分散関係を有することができる。別法では、前記材料はまた、少なくとも部分的に、運動量（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）の実質的に一次関数である分散関係を有することができる。
【００２３】
ギャップレス半導体材料は、任意の好適な形態で提供されることができ、概して、磁性イオンでドープされた間接または直接ギャップレス半導体材料を含む。
【００２４】
ギャップレス半導体材料は、半金属から磁性半導体への転移を伴う材料を含むことができる。本発明の１つの特定の実施態様において、ギャップレス半導体材料は、酸化物材料、例えば式ＡxＢyＯz（式中、Ａは１族、２族、または希土類元素であり、Ｂは遷移金属であり、並びにパラメーターｘ、ｙ、及びｚは概して０〜４の範囲内である）で表される材料などの形態で提供される。例えば、ギャップレス材料は、鉛系酸化物を含むことができ、概してＰｂＰｄＯ2を含む。この実施態様において、ギャップレス半導体材料は、コバルトイオンでドープされ、ＰｂＰｄＯ2のパラジウムイオンの少なくともいくらかの、概して約２５％がコバルトイオンで置換される。発明者は、コバルトでドープしたＰｂＰｄＯ2が、上述の本発明の２つめの特定の実施態様による電子物性を有する材料であることを観察した。
【００２５】
別法では、ギャップレス半導体材料は、任意の好適な種類のグラフェン（ドープ有りまたは無し並びに表面及び／または端の改質有りまたは無しのグラファイトの単層）、または好適な方法でドープされた任意の種類のギャップレス半導体材料若しくは狭いバンド材料を含むことができる。
【００２６】
ギャップレス半導体材料の価電子帯及び伝導帯は、励起された偏極電子及び正孔電荷担体が異なる速度を有し、それによって、励起電子及び正孔電荷担体の互いの分離が促進されるように選択された、バンド曲がりを有することができる。
【００２７】
本発明は、第２態様において、偏光源を提供し、前記偏光源は、
本発明の第１態様による新型のギャップレス半導体；並びに
ＶＢ1からＣＢ1及びＣＢ2のうちの１つに電子を励起し、且つ励起エネルギーが、ＶＢ1からＣＢ1及びＣＢ2のうちのもう一方に電子を励起するのに不十分であるように調製された励起源、
を含む。
【００２８】
ＣＢ1及びＣＢ2のうちのもう一方とは、概してＣＢ2である。励起源は光子源であることができる。偏光源は概して、ＶＢ2からＣＢ1またはＣＢ2のいずれかへの電子遷移が実質的に回避されるように調製される。
【００２９】
励起電子及び正孔が、とり得る電子遷移によってあらかじめ決定されるスピンを有し、そして励起電子及び正孔の再結合が概して偏極光子の放出をもたらすように、上で規定した偏極光子源は概して調製される。
【００３０】
本発明は、第３態様において、偏光源をもたらし、前記偏光源は、
電子バンド構造によって特徴付けられ得る電子物性を有する半導体材料であって、電子バンド構造が、第１の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ1及びＣＢ1をそれぞれ含み、並びに第２の電子スピン偏極についての価電子帯及び伝導帯部分であるＶＢ2及びＣＢ2をそれぞれ含み、ＶＢ1、ＶＢ2、ＣＢ1、及びＣＢ2が、第１及び第２のバンドギャップが形成され、第１のバンドギャップが第２のバンドギャップよりも小さくなるように調製されたエネルギー準位を有する、半導体材料；並びに
第１のバンドギャップを超えて電子を励起し、且つ励起エネルギーが第２のバンドギャップを超えて電子を励起するには不十分であるように調製された励起源、
を含む。
【００３１】
ＶＢ1、ＶＢ2、ＣＢ1、及びＣＢ2が、第１のエネルギーバンドギャップがＶＢ1とＣＢ1との間で規定され、並びに第２のエネルギーバンドギャップがＶＢ2とＣＢ2との間で規定されるように調製されたエネルギー準位を有する。励起源は概して、ＶＢ1からＣＢ1に電子を励起し、且つＶＢ2からＣＢ2へ電子を励起するには励起エネルギーが不十分であるように調製される。
【００３２】
励起源は光子源であることができる。偏極電子源は概して、ＶＢ1からＣＢ2及び／またはＶＢ2からＣＢ1への電子励起が実質的に回避されるように、調製される。
【００３３】
本発明は、第４態様において、酸化物材料を含み、並びに価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢを含む電子バンド構造によって特徴付けられ得る電子物性を有するギャップレス半導体材料を提供し、
ギャップレス電子遷移が、ＶＢとＣＢとの間で可能であるようにＶＢ及びＣＢが位置する。
【００３４】
酸化物材料は概してＡxＢyＯz（式中、Ａは１族、２族、または希土類元素であり、Ｂは遷移金属であり、並びにパラメーターｘ、ｙ、及びｚは概して０〜４の範囲内である）で表される。１つの具体例において、ギャップレス半導体材料はＰｂＰｄＯ2などの鉛系酸化物である。
【００３５】
別法では、ギャップレス半導体材料は、ＡxＢyＣzＤqＯt（式中、Ａ及びＢは１族、２族、または希土類元素であり、Ｃ及びＤは遷移金属並びにＩＩＩ、ＩＶ、及びＶ族の元素であり、Ｏは酸素であり、並びにパラメーターｘ、ｙ、ｚ、ｑ、ｔは０〜１２の範囲内である）の形態で提供され得る。
【００３６】
本発明は、第３態様において、本発明の第１または第２態様によるギャップレス半導体材料を含む電子デバイスを提供する。
【００３７】
電子デバイスは概して、外的影響を発生し、それによってエネルギーバンドに対するギャップレス半導体材料のフェルミ準位の位置をシフトさせるための部品を含む。さらに、電子デバイスは、励起された偏極電子と正孔電荷担体とを互いに分離するためのセパレーターを含んでもよい。一実施態様において、セパレーターは、ホール効果の原理にしがたって動作するように調製される。
【００３８】
本発明は、次の本発明の具体的な実施態様の説明からより完全に理解されるだろう。説明は、添付図面を参照しながら提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１の（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施態様による材料の模式的な電子バンド構造を示す。
【図２】図２の（ａ）〜（ｄ）は、本発明のさらなる実施態様によるギャップレス半導体材料の模式的な電子バンド構造を示す。
【図３】本発明の特定の実施態様による偏光源を表す。
【図４】本発明の一実施態様によるギャップレス半導体材料の結晶構造を示す。
【図５】図５の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の特定の実施態様による材料のバンド構造図を示す。
【図６】本発明の他の実施態様によるギャップレス半導体材料の結晶構造を示す。
【図７】図７の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の特定の実施態様による材料のバンド構造図を示す。
【図８】本発明の一実施態様による電子デバイスを示す。
【図９】図８に示す電子デバイスの機能を表す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の実施態様は、所定の励起エネルギーによる励起電子及び／または正孔電荷担体の完全スピン偏極のために調製されたギャップレス半導体材料を提供する。ギャップレス半導体材料は、ギャップレス半導体遷移の利点と完全スピン偏極の利点を兼ね備え、それゆえに、新しいまたは改良された電子、磁気、光学、機械、及び化学センサーデバイス用途のための新しい道を開く。
【００４１】
図１において、本発明の実施態様によるギャップレス半導体材料のバンド構造の具体例を記載する。
【００４２】
図１（ａ）は、本発明の第１の特定の実施態様によるギャップレス半導体材料のエネルギーバンドの模式図を示す。示したバンド図は、材料の分散関係（運動量ｋの関数としてのエネルギーＥ）を表す。エネルギーバンド図は、伝導帯から価電子帯を分離するフェルミ準位を示す。価電子帯は、第１の価電子帯部分ＶＢ1と第２の価電子帯部分ＶＢ2に分けられ、伝導帯は、第１の伝導帯部分ＣＢ1と第２の伝導帯部分ＣＢ2に分けられる。バンド部分ＶＢ1及びＣＢ1は、第１のスピン偏極を有する電子の、とり得るエネルギー状態を表し、バンド部分ＶＢ2及びＣＢ2は、反対のスピン偏極を伴う、とり得る電子状態を表す。この実施態様において、バンド部分ＶＢ1の最高位置及びバンド部分ＣＢ1の最低位置は、ＶＢ1からＣＢ1へのギャップレス遷移が可能となるようにフェルミ準位に位置する。
【００４３】
この実施態様において、価電子帯部分ＶＢ2の最高位置もまたフェルミ準位に位置するが、伝導帯部分ＣＢ2の最低位置は、バンドギャップによって価電子帯部分ＶＢ2の最高位置から分離されている。そのため、励起エネルギーがバンドギャップに対応するエネルギーより小さい場合、価電子帯から伝導帯への電子遷移のために、唯一利用可能である空の電子状態は、フェルミ準位とＣＢ2の最低位置との間のエネルギーに位置するＣＢ1の電子状態である。この場合には、全ての励起電子が完全偏極する。
【００４４】
ギャップレス半導体材料のエネルギーバンドに対するフェルミ準位のエネルギー位置は、ギャップレス半導体材料にわたって印加される外部電圧などの外的影響によって変わり得る。電荷担体濃度は、エネルギーバンドに対するフェルミ準位の位置を選択することよって制御し得る。例えば、フェルミ準位が、ＣＢ2の最低位置の下の位置にエネルギーバンドに対して引き上げられる場合、伝導帯部分ＣＢ1は、完全偏極した占有電子状態を有する。
【００４５】
図１（ｂ）は、本発明の他の特定の実施態様による材料のバンド図を示す。この実施態様では、価電子帯部分ＶＢ1は、エネルギーギャップによって伝導帯部分ＣＢ1から分離され、価電子帯部分ＶＢ2もまた、エネルギーギャップによって伝導帯部分ＣＢ2から分離されている。しかしながら、ＶＢ1とＣＢ2との間にはエネルギーギャップはない（または０．１ｅＶ未満のエネルギーを有するほんの小さなエネルギーギャップしかない）。そのため、ギャップレス遷移はＶＢ1とＣＢ2との間で可能である。そのようなギャップレス遷移は、第１のスピン方向（ＶＢ1の方向）から反対のスピン方向（ＣＢ2の方向）に電子を遷移させる。ＶＢ1とＣＢ1との間のバンドギャップのエネルギーよりも小さいエネルギーを有するＶＢ1またはＶＢ2からＣＢ2への電子遷移のために、ＣＢ2内の全ての励起電子は完全スピン偏極する。さらに、ＶＢ1内の対応する正孔電荷担体もまた、反対の方向に完全偏極する。
【００４６】
例えば、フェルミ準位の位置が、わずかに高いエネルギーであってＣＢ1の最低位置の下に引き上げられ得る。この場合、ＣＢ2は、完全偏極した占有電子状態を含むだろう。一方で、フェルミ準位が、より低い位置であってＶＢ2の最高位置の上に若干シフトされる場合、完全偏極した正孔電荷担体がＶＢ1内に生成する。生成した正孔電荷担体は、フェルミ準位を引き上げることによって生成した占有電子状態の偏極とは反対の偏極を有する。そのため、外的影響を使用してフェルミ準位の位置を制御することによって、電荷担体の種類及びそれらの偏極を変更することが可能である。
【００４７】
図１（ｃ）は、本発明のさらなる実施態様によるギャップレス半導体材料のエネルギーバンド図を示す。この場合、ギャップレス遷移は、ＶＢ1とＶＢ2との間で可能である。ＣＢ2の最低位置は、フェルミ準位に位置し、エネルギーギャップはＶＢ2とＣＢ2との間に形成される。励起エネルギーがＶＢ2とＣＢ2との間のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さい場合、ＶＢ1からＣＢ1またはＣＢ2への電子遷移は、ＶＢ1内に完全偏極した正孔電荷担体の生成をもたらす。さらに、フェルミ準位がＶＢ2とＣＢ2との間のバンドギャップよりも小さいエネルギーによって若干下げられる場合、ＶＢ1内に完全偏極した正孔電荷担体が生成する。
【００４８】
図１（ｄ）は、本発明のさらなる特定の実施態様によるギャップレス半導体材料のバンド図を示す。この場合、ギャップレス遷移は、ＶＢ1とＣＢ1との間で可能である。バンドギャップは、ＶＢ2とＣＢ2との間で規定される。この実施態様において、フェルミ準位は、おおよそバンドギャップの中央に位置する。励起エネルギーが、バンドギャップエネルギーの約半分に対応するエネルギーよりも低い場合、ＶＢ1からＣＢ1への電子遷移が、ＣＢ1内に完全偏極電子、及びＶＢ1内に完全偏極した正孔電荷担体の生成をもたらす。さらに、フェルミ準位がＣＢ2の最低位置よりも下の位置に若干引き上げられる場合、完全偏極電子状態がＣＢ1内に生成する。別法では、フェルミ準位がＶＢ2の最高位置の上の位置に下げられる場合、偏極した正孔電荷担体がＶＢ1内に生成する。
【００４９】
図１は、放物線状の分散関係についてのエネルギーバンドを示す。図２は、分散関係が線形であるとした場合の対応するバンド図を示す。
【００５０】
図３は、本発明の特定の実施態様による偏光源の動作を表す。図３は、半導体材料についてのバンド図５０を示す。例えば、半導体材料は、図１を参照しながら上に説明したような種類であることができる。別法では、半導体材料は、ギャップレス材料でなくてもよいが、それぞれの電子スピン偏極のためのそれぞれのバンドギャップを有することができる。
【００５１】
図３は、第１の電子スピン方向についての価電子帯ＶＢ1及び伝導帯ＣＢ1、並びに第２の電子スピン方向についての価電子帯ＶＢ2及び伝導帯ＣＢ2を有するバンド図５０を示す。この例において、第１バンドギャップは、ＶＢ1とＣＢ1との間で規定され、第２バンドギャップは、ＶＢ2とＣＢ2との間で規定される。第１エネルギーバンドギャップは、第２エネルギーバンドギャップよりも小さい。ステップ５１〜５３は、電子励起、偏極光子の再結合及び放出を表す。記載した実施態様において、光子源は、ＶＢ1からＣＢ1に電子を励起するために使用される。光子エネルギーは、ＶＢ2からＣＢ1またはＣＢ2に電子を励起するには不十分である。そのため、励起電子及び正孔状態は、１つの所定のスピン偏極を有する。その結果として、これらの励起状態の再結合が、偏極光子の放出をもたらす。
【００５２】
ギャップレス半導体は、例えば、ＡxＢyＯz酸化物材料（式中、Ａは１族、２族、または希土類元素であり、Ｂは遷移金属またはＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ族元素であり、並びにパラメーターｘ、ｙ、及びｚは、０〜４の範囲内である）の形態で提供され得る。この例において、ギャップレス材料はＰｂＰｄＯ2を含む。この実施態様において、ギャップレス半導体材料は、Ｃｏイオンでドープされ、ＰｂＰｄＯ2のＰｄイオンの約２５％がＣｏイオンで置換される。図４は、その材料の結晶構造を表す。発明者は、ＣｏでドープしたＰｂＰｄＯ2は、本発明の上述の２つめの特定の実施態様による電子物性を有するギャップレス半導体材料であることを観察した。
【００５３】
ＰｂＰｄＯ2材料は、ＰｄＯ、ＰｄＯ、及びＣｏＣＯ3の粉末を混合して形成され得る。混合物は次いでペレット化され、次いで、約３〜１０時間、約６００〜９００℃の温度で焼成される。薄膜試料の製造のために、Ｐｂ−Ｐｄ−Ｃｏ−Ｏのバルクターゲットを最初に形成してもよく、次いで、パルスレーザーデポジション法を用いて、酸素分圧を伴うアルゴン雰囲気で、約４００〜９００℃の温度にて好適な基板上に薄膜材料を堆積することができる。
【００５４】
ギャップレス半導体材料が、多くの様々な形態で提供され得ることは当業者には明らかである。概して、記載した特性を有する特定のギャップレス半導体材料は、典型的には、好適なドーパント、主として磁性イオンでドープしたギャップレス半導体材料を含む。別法では、ギャップレス半導体材料は、グラフェン、及びＨｇＣｄＴｅ、ＨｇＣｄＳｅ、またはＨｇＺｎＳｅなどのＨｇ系のＩＶ−ＶＩ材料を含む、磁性イオンでドープした任意の他の好適な種類の材料を含むことができる。
【００５５】
図５（ａ）は、ブリルアンゾーンの高対称点について計算したＰｂＰｄＯ2の電子バンド構造を示す。
【００５６】
図５（ａ）は、ＰｂＰｄＯ2が典型的な直接ギャップレス半導体であることを示すГ点にて禁止帯またはバンドギャップがないことを示す（直接とは、バンドギャップを越える遷移を言う）。
【００５７】
図５（ｂ）は、Ｃｏの２５％ドーピングレベルを有するＰｂＰｄＯ2のスピン分解電子バンド構造を示す。図５（ｂ）の実線は、「スピンアップ」電子のバンド構造を示す。図５（ｂ）の点線は、「スピンダウン」電子のバンド構造を示す。図４（ｂ）は、図１（ｂ）に示したものと関連する電子バンド構造を示す。
【００５８】
図５（ｂ）は、ＣｏをドープしたＰｂＰｄＯ2について示す。スピンアップ電子の最も高い価電子帯は、Г点におけるフェルミ準位に隣接する。最も低い伝導帯はまた、Ｕ点ににて、及びＴ点とＹ点の間にて、フェルミ準位に隣接する。それゆえに、スピンアップ電子の価電子帯（ＶＢ１）及びスピンダウン電子の伝導帯（ＣＢ２）は、間接ギャップレスであることが分かる。
【００５９】
図５（ａ）及び５（ｂ）に示されるバンド構造については、適切なコンピューターソフトウェアを使用して実行した密度汎関数理論を用いて計算した。これらの計算を行ったとき、次の変数を設定した。
局所密度近似を、交換相関汎関数（ｅｘｃｈａｎｇｅ−ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ）に用いた。
９６のまとめられたｋ点を有するＭｏｎｋｈｏｒｔ−Ｐａｃｋグリッド（４×４×６）をブリルアンに使用して、３４０ｅＶのカットオフエネルギー及び１０-6のＳＦＣ許容範囲でサンプリングした。
バンド構造についてのｋ点分離特性（ｋ−ｐｏｉｎｔ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｑｕａｌｉｔｙ）を０．０１５Ａ-1に設定した。
相対論的電子を、コア処理（ｃｏｒｅ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）に用いた。
【００６０】
図６は、さらなる材料の結晶構造を表す。発明者は、ＹＦｅＡｓＯが、上述の材料の特性に類似した特性を有する半導体材料であることを観察した。図７（ａ）及び７（ｂ）は、この材料のバンド構造を示す。
【００６１】
図８は、本発明の一実施態様による電子デバイス１００を示す。この実施態様において、電子デバイスは、上述のギャップレス半導体材料を含む素子１０２を含む。さらに、電子デバイス１００は、外的影響を適用し、それによってギャップレス半導体材料のフェルミ準位の位置をシフトさせるための外部電源１０４を含む。この実施態様において、外部電源は、電圧源の形態で提供される。
【００６２】
電子デバイス１００は、正孔電荷担体から電子を分離するように調製されたセパレーター１０６を含む。セパレーター１０６は、磁場を発生するように調製されている。図８中の矢印によって示される方向に材料１０２を通って移動する電子及び正孔電荷担体は、ホール効果によって磁場中で互いに分離される。これを図９に模式的に表した。
【００６３】
本発明は、特定の実施例を参照しながら記載されているが、本発明が、他の様々な形態で実施され得ることは当業者に明らかであろう。例えば、ギャップレス半導体材料は、酸化物材料でなくてもよい。さらに、図１及び２に示したバンド構造図が、取り得るいくつもの変化の簡単な例にすぎないことは、当業者に明らかであろう。さらに、スピンギャップレス材料が、ドーピング有り若しくは無しの二次元グラフェンの形態、または任意の形態のグラフェンで提供され得ること、及びまた、導電性表面を有する材料の形態で提供され得ることが、明らかである。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図１（ｄ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
2011519151.tif 000009
【図２（ｄ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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