专利名称：一种新型的无带隙半导体材料的制作方法
技术领域：
本发明宽泛而言涉及一种半导体材料，具体而言涉及一种无带隙(gapless)半导 体材料。
背景技术：
探索自旋态(spin state)和电子电荷(charge of electrons)两者的技术领域 一般被称为“自旋电子学(spintronics) ”。目前用于自旋电子学应用的材料包括稀磁性半 导体(diluted magneticsemiconductor)、铁磁材料和半金属材料。稀磁性半导体在大多数情况下不能获得100%的电子自旋极化，并且可迁移电子 (mobile electrons)的速度由于电子散射而减小。稀磁性半导体目前还被限制为在相对低 的温度下使用，因为它们必须是铁磁的以显示某种程度的自旋极化。导电铁磁材料也能够被用来产生自旋极化电流以用于自旋电子学用途，但是不 能实现100%的电子自旋极化。这再次由于电子散射而减小了电子迁移率(electron mobility)。进一步，铁磁材料没有半导体特性，所以它们的应用限于特定的自旋电子器件 例如自旋阀。半金属材料能够被用来实现100%的自旋极化，但是载荷子及其浓度不能被调节 或控制。因此，半金属材料不能用于基于半导体的自旋电子器件应用。因此，需要技术方面的进步。
发明内容
本发明在第一方面提供了一种新型的无带隙半导体材料，其具有能够用电子能 带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括针对第一电子自旋极化的价带(valence band)部分VA和导带(conductionband)部分CB1，以及针对第二电子自旋极化的价带部分 VB2和导带部分CB2 ；其中，VB1具有第一能级，并且CB1和CB2中的一个具有第二能级，该第一能级和该 第二能级的位置使得在VB1与CB1和CB2中的所述一个之间进行无带隙电子跃迁是可能的， 并且其中，该无带隙半导体材料被安排成使得在VB2与CB1和CB2中的另一个之间限定了带(energybandgap)0贯穿本说明书，术语“无带隙”用于指代约0. IeV或小于0. IeV的带隙(energy gap)。该无带隙半导体材料一般被安排成使得，在没有外部影响(external influence) 的情况下，费米能级O^ermi level)位于VB1的最大值附近。该第一能级一般是VB1的最大值，该第二能级一般是CB1和CB2中的所述一个的最小值。贯穿本说明书，术语“外部影响”用于指代导致该无带隙半导体材料的费米能级相 对于电子能带而移位(shift)的任何力、场或类似物。例如，该外部影响的提供形式可以是与跨越该无带隙半导体材料而施加的电压相关联的电场。在VB1与CB1和CB2中的所述一个之间进行仅需要非常小的激发能量的无带隙电 子跃迁是可能的。然而，在VB2与CB1和CB2中的所述另一个之间限定了带隙，从而需要能 量以把电子从卯2激发到CB1或CB2。因此，无带隙半导体材料具有显著的优点无带隙电子 激发是可能的，并且，高达(up to)预定激发能量的所有受激(excited)电子和/或空穴载 荷子(hole charge carriers)具有相同的自旋极化。该带隙(bandgap)可以是直接带隙或间接带隙。进一步，无带隙跃迁可以是直接 跃迁或间接跃迁。因为无带隙电子跃迁是可能的，所以该无带隙半导体材料的电子特性一般对外部 影响的变化——例如外部磁场或电场、温度或压力、光和应力等的变化一一是非常敏感的。 该全自旋极化(full spinpolarization)降低了电子散射的可能性，因此该电子迁移率一 般相对大，例如比传统半导体材料的电子迁移率大1到2个数量级。根据本发明一个实施 方案的无带隙半导体材料结合了半导体材料中的无带隙电子跃迁的优点与全自旋极化的 优点，因此开启了进行新应用的途径，例如新的或改进的“自旋电子学”、电子、磁、光、机械 和化学传感器器件应用。VB1的能量最大值与CB1和( 中的所述一个的能量最小值可以，例如，具有在 0-0. OleV,0-0. 02eV、0-0. 04eV、0_0· 05eV、0_0· 06eV、0_0· 08eV、0_0· IeV 的范围内的能量间 隔(energetics印aration)，并且也可以有些微重叠。该预定能量取决于各能带部分相对于彼此的能量位置。该预定能量一般在0至& 或者0至0. 5 (Ee 带隙能量)的范围内。带隙能量& 一般在0. 2eV至5eV或0. 2eV至!BeV 的范围内。该无带隙半导体材料一般被安排成使得，通过控制费米能级相对于能带的位置， 所述电子特性是可控的。例如，该无带隙材料可以被安排成使得，预定能量令费米能级的位 置相对于能带的移位导致产生全极化自由载荷子。在一个具体实施例中，该无带隙半导体 材料被安排成使得费米能级相对于能带的预定移位导致一种类型的全极化载荷子变为另 一种类型的全极化载荷子，伴随或不伴随极化的改变。该无带隙半导体可以被安排成使得从VB1或VB2激发到CB1或CB2的电子具有全自 旋极化。替代地或附加地，该无带隙半导体可以被安排成使得处于VB1或VB2的空穴载荷子 具有全自旋极化。在本发明的第一实施方案中，VB1的最大值和CB1的最小值位于彼此附近，并一般 在费米能级附近。在这个实施方案中，带隙&被限定在CB2之间。例如，的最大 值可以位于费米能级，并且CB2的最小值可以位于费米能级之上的能量&。在这种情况下， 所有从VB1激发到CB1的电子针对高达&的激发能量都具有相同的自旋极化。或者，CB2的 最小值可以位于费米能级，或VB2的最大值可以位于费米能级之下。在这种情况下，所有处 于VB1的空穴载荷子针对高达&的激发能量都具有相同的自旋极化。在又一个实施例中， 该材料被安排成使得费米能级基本位于带隙的中间。在这种情况下，所有从VB1激发到CB1 的电子针对高达0. 5Eg的激发能量都具有相同的自旋极化，并且所有处于VB1的对应的空穴 载荷子也都具有相同的自旋极化。在本发明的第二实施方案中，VB1的最大值和CB2的最小值位于彼此附近，一般在费米能级附近。在这个实施方案中，第一带隙被限定在VB1和CB1之间，第二带隙一般被限 定在CB2之间。从VBjIj CB2的无带隙电子跃迁与自旋极化的改变相关联。在这个实 施方案中，该无带隙半导体材料被安排成使得从VB1激发到CB2的电子针对高达如下的激发 能量具有全自旋极化，该激发能量对应于CB1的最小值与CB2的最小值之间的能量差，并且 VB1的对应的空穴载荷子具有相反的全自旋极化(full opposite spin polarisation)。在上面描述的本发明的第二实施方案中，该无带隙半导体材料一般被安排成使 得，如果费米能级被低于VB1最大值的外部影响移位到VB2最大值或其之上的位置，则在VB1 会产生全极化的空穴载荷子。进一步，该无带隙半导体材料一般被安排成使得，如果费米能 级被高于VB1最大值的外部影响移位到CB2最小值或其之下的位置，则CB2会包括全极化电 子，该全极化电子以如下方向极化，该方向与通过降低费米能级而产生的处于VB1W极化空 穴载荷子的方向相反。该无带隙半导体材料可以具有如下色散关系(dispersionrelation)，该色散关系 至少部分地基本是动量的二次(quadratic)函数。或者，该材料也可以具有如下色散关系， 该色散关系至少部分地基本是动量的线性函数。该无带隙半导体材料可以以任何合适的形式被提供，并且一般包括掺杂有磁性离 子的间接或直接无带隙半导体材料。该无带隙半导体材料可以包括与从半金属到磁性半导体的过渡相关联的材料。 在本发明的一个具体实施方案中，该无带隙半导体材料以氧化物材料一一例如AxByOz型材 料——的形式被提供，这里A是1组(group 1)、2组(group 2)或稀土元素，B是过渡金属， 参数x、y和ζ —般在0-4的范围内。例如，该无带隙材料可以包括铅基氧化物，并且一般包 括I^bPd02。在这个实施方案中，该无带隙半导体材料掺杂有钴离子，并且该HdPcW2的钯离子 中的至少一些——一般约25%——被钴离子代替。发明人已经观察到，掺杂有钴的HdPCW2 是具有根据本发明的上述第二具体实施方案的电子特性的材料。或者，该无带隙半导体材料可以包括任何合适类型的石墨烯(graphene)(具有或 不具有掺杂以及具有或不具有对表面和/或边缘的更改的单层石墨)，或者任何类型的无 带隙半导体材料或以合适方式掺杂的窄带材料。该无带隙半导体材料的价带和导带可以具有能带弯曲(bandbending)，该能带弯 曲被选择以使得受激极化电子和空穴载荷子具有不同的速度，由此便于受激电子和空穴载 荷子相互分离。本发明在第二方面提供了一种极化光源，该光源包括根据本发明第一方面的新型无带隙半导体材料；激发源，其用于把电子从VB1激发到CB1和CB2中的所述一个，并且其被安排成使 得激发能量不足以把电子从VB1激发到CB1和CB2中的所述另一个。CB1和CB2中的所述另一个一般是CB2。该激发源可以是光子源。该极化光源一般 被安排成使得基本避免电子从VB2跃迁到CB1或CB2。上述的极化光子源一般被安排成使得受激电子和空穴具有由可能的电子跃迁预 定的自旋，并且受激电子和空穴的再结合一般导致极化光子的发射。本发明在第三方面提供了一种极化光源，该光源包括半导体材料，其具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括针对第一电子自旋极化的价带部分VB1和导带部分CB1,以及针对第二电子自旋极化的价 带部分VB2和导带部分CB2，其中VB” VB2、CB1和CB2具有如下安排的能级，该安排使得形成第一带隙和第二带隙，该第一带隙小于该第二带隙；激发源，其用于激发电子越过该第一带隙，并且被安排成使得激发能量不足以激 发电子越过该第二带隙。VB1^VB2XB1和CB2 —般具有如下安排的能级，该安排使得该第一带隙被限定在VB1 和CB1之间，并且该第二带隙被限定在VB2和CB2之间。该激发源一般被安排成用于把电子 从VB1激发到CB1,并且被安排成使得激发能量不足以把电子从VB2激发到CB2。该激发源可以是光子源。该极化电子源一般被安排成使得基本避免把电子从VB1 激发到CB2和/或从VB2激发到CB115本发明在第四方面提供了一种无带隙半导体材料，其包括氧化物材料，并且具有 能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括价带VB和导带CB ；其中，VB和CB的位置使得在VB和CB之间进行无带隙电子跃迁是可能的。该氧化物材料一般是AxByA型，这里A是1组、2组或稀土元素，B是过渡金属，参 数χ、y和ζ —般在0-4的范围内。在一个具体实施例中，该无带隙半导体材料是铅基氧化 物，例如PbPdO2。或者，该无带隙半导体材料可以以ΑΛ ^^的形式被提供，这里A和B是1组、2 组或稀土元素，C和D是过渡金属以及III族、VI族和V族(III，VI，and V family)中的元 素，0是氧，参数x、y、Z、q、t在0-12的范围内。本发明在第三方面提供了一种电子器件，其包括根据本发明第一方面或第二方面 的无带隙半导体材料。该电子器件一般包括用于产生外部影响的部件，由此令该无带隙半导体材料的费 米能级位置相对于能带而移位。进一步，该电子器件可以包括分离器(s印arator)，其用于 使受激极化电子和空穴载荷子相互分离。在一个实施方案中，该分离器被安排成根据霍尔 效应的原理来运作。从下面对本发明的具体实施方案的描述中，将更全面地理解本发明。该描述是参 考附图来提供的。
图1(a)到1(d)示出了根据本发明实施方案的材料的电子能带结构的示意图；图2(a)到2(d)示出了根据本发明又一些实施方案的无带隙半导体材料的电子能 带结构的示意图；图3示出了根据本发明一个具体实施方案的极化光源；图4示出了根据本发明一个实施方案的无带隙半导体材料的晶体结构图；图5(a)和5(b)示出了根据本发明一个具体实施方案的材料的能带结构图；图6示出了根据本发明另一个实施方案的无带隙半导体材料的晶体结构图；图7(a)和7(b)示出了根据本发明一个具体实施方案的材料的能带结构图；图8示出了根据本发明一个实施方案的电子器件；以及图9示出了图8中所示电子器件的功能。
具体实施例方式本发明的实施方案提供了一种无带隙半导体材料，其被安排以用于受激电子和/ 或空穴载荷子的针对高达预定激发能量的全自旋极化。该无带隙半导体材料结合了无带隙 半导体跃迁的优点与全自旋极化的优点，因此开启了针对新的或改进的电子、磁、光、机械 和化学传感器器件应用的新途径。参考图1，现在描述根据本发明实施方案的无带隙半导体材料的能带结构的具体 实施例。图1(a)示出了根据本发明第一具体实施方案的无带隙半导体材料的能带图的示 意图。所示的能带图表现了该材料的色散关系(能量E与动量k的函数关系)。该能带图 示出了将价带与导带隔开的费米能级&。该价带被分成第一价带部分VB1和第二价带部分 VB2,该导带被分成第一导带部分CB1和第二导带部分CB2。带部分VB1和CB1代表具有第一 自旋极化的电子的可能的能态(energetic states)，带部分VB2和CB2代表与相反的自旋 极化相关联的可能的电子态(electronicstates)。在这个实施例中，带部分VB1的最大值 和带部分CB1的最小值以如下方式位于费米能级，该方式使得从VB1到CB1进行无带隙跃迁 是可能的。在这个实施方案中，价带部分VB2的最大值也位于费米能级，但是导带部分CB2的 最小值与价带部分VB2的最大值间隔一带隙。因此，对于从该价带到该导带的电子跃迁，如 果激发能量小于对应于该带隙的能量，则仅有的可用的空(empty)电子态是位于费米能级 和( 最小值之间的能量的CB1电子态。在这种情况下，所有受激电子都是全极化的。该无带隙半导体材料的费米能级相对于能带的能量位置可以被外部影响——例 如跨越该无带隙半导体材料而施加的外部电压——改变。可以通过选择费米能级相对于能 带的位置来控制载荷子浓度。例如，如果费米能级相对于能带被提升到低于CB2最小值的 位置，则导带部分CB1具有全极化的占有电子态(occupied electronic state)。图1(b)示出了根据本发明另一个具体实施方案的材料的能带图。在该实施方案 中，价带部分VB1与导带部分CB1间隔一带隙，价带部分VB2与导带部分CB2也间隔一带隙。 然而，在VB1和CB2之间没有带隙(或仅有能量小于0. IeV的小带隙)。因此，在VB1和CB2 之间进行无带隙跃迁是可能的。这样的无带隙跃迁使电子从第一自旋方向(VB1的)转变到 相反的自旋方向(CB2的)。对于从VB1或VB2到CB2的电子跃迁——其具有小于VB1和CB1 之间带隙能量的能量，所有处于CB2的受激电子都是全自旋极化的。进一步，VB1中对应的 空穴载荷子也以相反的方向全极化。例如，费米能级的位置可以被提升至稍高但低于CB1最小值的能量。在这种情况 下，CB2会包含全极化的占有电子态。另一方面，如果费米能级稍微移位至一较低但高于VB2 最大值的位置，则在VB1中会产生全极化的空穴载荷子。所产生的空穴载荷子的极化与通 过提升费米能级所产生的占有电子态的极化相反。因此，有可能通过使用外部影响控制费 米能级位置来改变载荷子的类型以及它们的极化。图1(c)示出了根据本发明又一个实施方案的无带隙半导体材料的能带图。在这 种情况下，在VB1和乂化之间进行无带隙跃迁是可能的。CB2的最小值位于费米能级，并且 VB2和CB2之间形成一带隙。如果激发能量小于对应于VB2和CB2之间带隙的能量，则从VB1到CB1或CB2的电子跃迁会导致在VB1中产生全极化的空穴载荷子。进一步，如果费米能级 稍微降低一小于VB2和CB2之间带隙的能量，则在VB1中会产生全极化的空穴载荷子。图1(d)示出了根据本发明又一个实施方案的无带隙半导体材料的能带图。在这 种情况下，在VB1和CB1之间进行无带隙跃迁是可能的，并且该带隙被限定在VB2和CB2之 间。在这个实施方案中，费米能级近似位于该带隙的中间。如果激发能量小于对应于该带 隙能量的约一半的能量，则从VB1到CB1的电子跃迁会导致在CB1中产生全极化电子以及在 VB1中产生全极化的空穴载荷子。进一步，如果费米能级被稍微提升到低于CB2最小值的位 置，则在CB1中会产生全极化的电子态。或者，如果费米能级被降低到VB2最大值之上的位 置，则在VB 1中会产生全极化的空穴载荷子。图1示出了呈抛物线色散关系的能带。图2示出了在假设色散关系是线性的情况 下所对应的能带图。图3示出了根据本发明一个具体实施方案的极化光源的运作。图3示出了一种半 导体材料的能带图50。例如，该半导体材料可以是上面参考图1所述的类型。或者，该半导 体材料可以不是无带隙材料，而是可以针对每个电子自旋极化具有各自的带隙。图3示出了能带图50，其针对第一电子自旋方向具有价带VB1和导带CB1,针对第 二电子自旋方向具有价带VB2和导带CB2。在这个实施例中，第一带隙被限定在VB1和CB1 之间，第二带隙被限定在VB2*CB2之间。该第一带隙小于该第二带隙。步骤51-53表现了 电子激发、再结合以及极化光子的发射。在所描述的实施方案中，一光子源被用来把电子从 VB1激发到CB115该光子能量不足以把电子激发到CB2,电子从VB2激发到CB115因此，受激电 子和空穴态具有一种预定的自旋极化。接着，这些受激态的再结合导致极化光子的发射。该无带隙半导体可以例如以AxByOz氧化物材料的形式被提供，这里A是1组、2组 或稀土元素，B是过渡金属或III族、VI族、V族元素，参数x、y和ζ在0-4的范围内。在这个 实施例中，该无带隙材料包括PbPd02。在这个实施方案中，该无带隙半导体材料掺杂有钴 (Co)离子，并且该PbPdO2中的钯(Pd)离子的约25%被钴离子代替。图4示出了该材料的 晶体结构。发明人已经观察到，掺杂有钴的PbPdO2是具有根据本发明的上述第二具体实施 方案的电子特性的无带隙半导体材料。该PbPdO2材料可以由PdO、PdO和CoCO3的粉末混合形成。该混合物然后被放在 托盘上(palletized)，然后在约600-900°C的温度被烧结约3-10个小时。为了制造薄膜样 品，可以初始形成Pb-Pd-Co-O的块状靶材(bulk target)，然后可以使用脉冲激光沉积方 法，在具有氧分压(oxygen partial pressure)的氩气氛中，在约400-900°C的温度下，将该 薄膜材料沉积在合适的基材上。本领域技术人员应理解，该无带隙半导体材料可以以许多不同形式被提供。总体 上，具有所述特性的具体无带隙半导体材料一般包括掺杂有合适的掺杂物——一般是磁性 离子——的无带隙半导体材料。或者，该无带隙半导体材料可以包括掺杂有如下磁性离子 的任何其他合适类型的材料，该磁性离子包括石墨烯(graphine)以及汞(Hg)基IV-VI材 料例如 HgCdTe、HgCdSe 或 HgZnSe。图5(a)示出了 PbPdO2的电子能带结构，其是针对布里渊区(Brillouin zone)中 的高对称性点而算出的。图5(a)显示在Γ点不存在禁带或带隙，这表明PbPdO2是典型的 直接无带隙半导体(直接指的是越过带隙的跃迁)。
图5(b)示出了具有25%的钴掺杂级的PbPdO2的自旋解析(spinresolved)电子 能带结构。图5(b)中的实线表示“上旋(spin up)”电子的能带结构。图5(b)中的虚线表 示“下旋(spin down)”电子的能带结构。图4(b)示出了与图1(b)所示电子能带结构有关 的电子能带结构。 图5(b)示出了对于PbPdO2，上旋电子的最高价带在Γ点接近于费米能级。最低 导带在U点以及在T点和Y点之间也接近于费米能级。因此上旋电子的价带(VB1)和下旋 电子的导带(CB2)被示为间接无带隙。图5(a)和5(b)示出的能带结构是由合适的计算机软件使用密度泛函理论 (density functional theory)来算出的。当进行这些计算时，设置下面的变量-局部密度近似(localdensity approximation)，用于交换-修正泛函 (exchange-correction functional)-具有96 个合计(summarised)k 点的 Monkhort-pack 网格(4X4X6)，用于以 340eV的截止能量和10_6的SFC公差进行布里渊取样-该能带结构的k点分离品质(s印arationquality)，被设置为0. 015A—1-相对论性电子(relativistic electrons)，用于核心处理(coretreatment)图6示出了又一种材料的晶体结构。发明人已经观察到，YFeAsO是具有类似于上 述材料的特性的半导体材料。图7 (a)和7(b)示出了这种材料的能带结构。图8示出了根据本发明的实施方案的电子器件100。在这个实施方案中，该电子器 件包括元件102，该元件包括上述的无带隙半导体材料。进一步，电子器件100包括外部源 104，该外部源用于施加外部影响，从而使该无带隙半导体材料的费米能级的位置移位。在 这个实施方案中，该外部源以电压源的形式被提供。电子器件100包括分离器106，该分离器被安排以使电子与空穴载荷子分离。分离 器106被安排以产生磁场。以图8中箭头所示方向移动经过材料102的电子和空穴载荷子 在该磁场中由于霍尔效应而彼此分离。这在图9中被示意性地示出。尽管已经参考具体实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明可 以以许多其他形式来实现。例如，该无带隙半导体材料可以不是氧化物材料。进一步，本领 域技术人员应理解，图1和2中示出的能带结构图仅是许多可能的变体的简化实例。进一 步，应理解，自旋无带隙材料的提供形式可以是具有或不具有掺杂的二维石墨烯，或者是任 何形式的石墨烯(grapheme)，也可以是具有导电表面的材料。
权利要求
1.一种无带隙半导体材料，其具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能 带结构包括针对第一电子自旋极化的价带部分VB1和导带部分CB1，以及针对第二电子自旋 极化的价带部分VB2和导带部分CB2 ；其中，VB1具有第一能级，并且CB1和CB2中的一个具有第二能级，该第一能级和该第二 能级的位置使得在VB1与CB1和CB2中的所述一个之间进行无带隙电子跃迁是可能的，并且 其中，该无带隙半导体材料被安排成使得在与CB1和CB2中的另一个之间限定了带隙。
2.根据权利要求1所述的无带隙半导体材料，其中，该第一能级是VB1的最大值，并且 该第二能级是CB1和CB2中的所述一个的最小值。
3.根据权利要求1或2所述的无带隙半导体材料，其被安排为使得在没有外部影响情 况下，费米能级位于VB1的最大值附近。
4.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，VB1的能量最大值与 CB1和CB2中的所述一个的能量最小值具有在0-0. OleV,0-0. 02eV、0_0. 04eV、0_0. 05eV、 0-0. 06eV、0-0. 08eV或0-0. IeV的范围内的能量间隔。
5.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，该无带隙半导体材料 被安排成使得，通过控制费米能级相对于能带的位置，所述电子特性是可控的。
6.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，该无带隙半导体材料 被安排成使得，预定能量令费米能级位置相对于能带的移位导致产生全极化自由载荷子。
7.根据权利要求6所述的无带隙半导体材料，其中，该预定能量在0至&或0至 0. 5Eg——Eg为带隙能量——的范围内。
8.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，带隙能量&在0.2eV 至5eV或0. 2eV至!BeV的范围内。
9.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其被安排成使得从VB1或VB2 激发到CB1或CB2的电子具有全自旋极化。
10.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其被安排成使得处于VB1或 VB2的空穴载荷子具有全自旋极化。
11.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，VB1的最大值和CB1W 最小值位于彼此附近，并且其中，带隙&被限定在VB2和CB2之间。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，该无带隙半导体材 料被安排成使得，费米能级相对于能带的预定移位导致一种类型的全极化载荷子变为另一 种类型的全极化载荷子。
13.根据权利要求1-10中任一项或权利要求12所述的无带隙半导体材料，其中，VB1的 最大值和CB2的最小值位于彼此附近，第一带隙被限定在VB1和CB1之间，并且第二带隙被限 定在VB2和CB2之间，并且其中，从VB1到CB2的无带隙电子跃迁与自旋极化的改变相关联。
14.根据权利要求13所述的无带隙半导体材料，其被安排成使得从VB1激发到CB2的 电子针对高达如下的激发能量具有全自旋极化，该激发能量对应于CB1的最小值与CB2的最 小值之间的能量差，并且VB1的对应的空穴载荷子具有相反的全自旋极化。
15.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其包括掺杂有磁性离子的 间接或直接无带隙半导体材料。
16.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其包括与从半金属到磁性半导体的过渡相关联的材料。
17.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其以氧化物材料的形式被提供。
18.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其以AxByOz的形式被提供， 这里A是1组、2组或稀土元素，B是过渡金属，参数χ、y和ζ在0_4的范围内。
19.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其包括铅基氧化物。
20.根据在前权利要求中任一项所述的无带隙半导体材料，其包括I^bPd02。
21.根据权利要求20所述的无带隙半导体材料，其是掺杂有钴离子的材料。
22.根据权利要求21所述的无带隙半导体材料，其中，该钴离子代替了一部分钯离子。
23.根据权利要求1-16中任一项所述的无带隙半导体材料，其包括石墨烯和汞基 IV-VI材料中的一种。
24.一种极化光源，该光源包括根据权利要求1-23中任一项所述的新型无带隙半导体；激发源，其用于把电子从VB1激发到CB1和CB2中的所述一个，并且该激发源被安排成 使得激发能量不足以把电子从VB1激发到CB1和CB2中的所述另一个。
25.根据权利要求M所述的极化光源，其中，该激发源是光子源。
26.根据权利要求M或25所述的极化光源，其中，该极化光源被安排成使得基本避免 从VB2到CB1或CB2的电子跃迁。
27.一种极化光源，该光源包括半导体材料，其具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括针 对第一电子自旋极化的价带部分VB1和导带部分CB1,以及针对第二电子自旋极化的价带部 分VB2和导带部分CB2,其中，VB1JB2WB1和CB2具有如下安排的能级，该安排使得形成第一 带隙和第二带隙，该第一带隙小于该第二带隙；激发源，其用于激发电子越过该第一带隙，并且该激发源被安排成使得激发能量不足 以激发电子越过该第二带隙。
28.根据权利要求27所述的极化光源，其中，VB1JB2XB1和CB2具有如下安排的能级， 该安排使得该第一带隙被限定在VB1和CB1之间，并且该第二带隙被限定在VB2和CB2之间。
29.根据权利要求27或观所述的极化光源，其中，该激发源被安排成用于把电子从VB1 激发到CB1，并且该激发源被安排成使得激发能量不足以把电子从VB2激发到CB2。
30.根据权利要求27-29中任一项所述的极化光源，其中，该激发源是光子源。
31.根据权利要求27-30中任一项所述的极化光源，其中，该极化光源被安排成使得基 本避免从VB1或VB2到CB2的激发。
32.一种无带隙半导体材料，其包括氧化物材料，并具有能够用电子能带结构来表征的 电子特性，该电子能带结构包括价带VB和导带CB ；其中，VB和CB的位置使得在VB和CB之间进行无带隙电子跃迁是可能的。
33.根据权利要求32所述的无带隙半导体材料，其中，该氧化物材料是AxByA型，这里 A是1组、2组或稀土元素，B是过渡金属，参数χ、y和ζ在0_4的范围内。
34.根据权利要求33所述的无带隙半导体材料，其中，该氧化物材料是ΑχΒγ(^\0 ζ型， 这里A和B是1组、2组或稀土元素，C和D是过渡金属以及III族、VI族和V族中的元素，0是氧，参数x、y、z、q、t在0-12的范围内。
35.根据权利要求32-34中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，该无带隙半导体材 料是铅基氧化物。
36.根据权利要求32-35中任一项所述的无带隙半导体材料，其中，该无带隙半导体材 料是 PbPdO2。
37.一种电子器件，其包括权利要求1-23中任一项或权利要求32-36中任一项所述的 无带隙半导体材料。
38.根据权利要求37所述的电子器件，其包括用于产生外部影响的部件，由此令该无 带隙半导体材料的费米能级位置相对于能带而移位。
39.根据权利要求37或38所述的电子器件，其包括分离器，该分离器用于使受激极化 电子与空穴载荷子相互分离。
全文摘要
本公开文本提供了一种新型的无带隙半导体材料，该材料具有能够用电子能带结构来表征的电子特性，该电子能带结构包括针对第一电子自旋极化的价带部分VB1和导带部分CB1，以及针对第二电子自旋极化的价带部分VB2和导带部分CB2。价带部分VB1具有第一能级，并且CB1和CB2中的一个具有第二能级，该第一能级和该第二能级的位置使得在VB1与CB1和CB2中的所述一个之间进行无带隙电子跃迁是可能的，并且其中，该无带隙半导体材料被安排成使得在VB2与CB1和CB2中的另一个之间限定了带隙。
文档编号H01L49/00GK102047428SQ200980113359
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者王晓临 申请人:卧龙岗大学