Gd 掺杂 GaN 二维电子气中各向异性缺陷诱导的铁磁性与输运

本文报道了稀土 Gd 掺杂对 GaN 二维电子气（2DEGs）磁性和磁输运性质的影响。样品通过等离子体辅助分子束外延生长，由 AlN/GaN 异质结构组成，其中 Gd 在极化诱导的 2DEG 内进行$\delta$掺杂。在这些 Gd 掺杂的 2DEG 中观察到了铁磁性，其居里温度高于室温，且表现出 preferring 面外（c 轴）取向的各向异性自发磁化。在高达 50 kOe 的磁场下，面内构型的磁化强度小于面外构型，这表明自旋通过交换耦合被锁定在极性 c 轴方向。Gd 浓度最低（2.3 $\times$ $10^{14}$ cm$^{-2}$）的样品在 5 K 时表现出 41.1 $\mu_B/Gd^{3+}$的饱和磁化强度，表明仅靠 Gd 离子自旋（7 ${\mu}_B$）不足以解释该磁化强度。令人惊讶的是，无任何 Gd 生长的对照样品表现出不一致的磁性质；部分对照样品观察到弱铁磁性，而其他则表现为顺磁性。铁磁性 2DEG 未表现出反常霍尔效应；霍尔电阻随磁场非线性变化，但不跟随磁化强度变化，表明 2DEG 内的铁磁相与导带电子之间缺乏耦合。