Mn摻雜ZnO室溫鐵磁性及金屬—半導(dǎo)體電致電阻效應(yīng)研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體由于可以同時利用電子的自旋和電荷這兩個自由度而引起了研究者的廣泛關(guān)注。目前研究熱點(diǎn)主要是尋找具有室溫鐵磁性的稀磁半導(dǎo)體材料和探討其鐵磁性的起源。ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料作為寬禁帶半導(dǎo)體，具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，同時表現(xiàn)出室溫鐵磁性，因此對ZnO基稀磁半導(dǎo)體的制備、鐵磁性起源、自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的研究具有重要的意義。目前，由于缺乏對錳摻雜氧化鋅體系的系統(tǒng)研究，導(dǎo)致對ZnO基稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性的起源存在爭議。
　　電致電阻

2、效應(yīng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，可以應(yīng)用到下一代的隨機(jī)訪問存儲器件中。一些實(shí)驗組對有關(guān)金屬/SNTO(SrNbxTi1-xO3)輸運(yùn)以及電致電阻效應(yīng)進(jìn)行了研究，但是對于其阻變機(jī)理仍存在爭議，響應(yīng)時間比較慢，因此需要做更深入的研究。
　　本論文針對上述問題展開研究，主要包括兩大部分:一部分是錳摻雜氧化鋅體系室溫鐵磁性研究，另一部分是Pt/SrNbxTi1-xO3的電致電阻效應(yīng)研究。主要實(shí)驗內(nèi)容安排如下
　　1.不同N2/H2退火溫度的Z

3、n0.98Mn0.02O薄膜室溫鐵磁性的研究
　　為了研究錳摻雜氧化鋅薄膜的室溫鐵磁性的起源，我們系統(tǒng)地研究不同N2/H2退火溫度對Zn0.98Mn0.02O薄膜的結(jié)構(gòu)和室溫鐵磁性的影響。通過射頻磁控濺射法將Zn1-xMnxO薄膜沉積到硅襯底上，室溫下表現(xiàn)為順磁性。制備的薄膜在不同溫度下(600℃-750℃)N2/H2(99.999％)氣氛中退火1h。當(dāng)退火溫度超過640℃后，薄膜表面出現(xiàn)了泡沫狀的非晶物質(zhì)。磁性測量結(jié)果表明，退火

4、的薄膜由室溫順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)槭覝罔F磁性，并且隨著退火溫度的升高，飽和磁化強(qiáng)度逐漸增加直到退火溫度達(dá)到750℃。XPS和PL光譜的解譜結(jié)果分析表明一價氧空位的濃度與低溫退火的薄膜的室溫鐵磁性有直接關(guān)系。不同退火溫度薄膜中鐵磁性的起源是由兩部分組成的:退火溫度低于640℃的薄膜中，束縛磁極化子模型可以解釋薄膜的室溫鐵磁性的來源;當(dāng)溫度高于640℃時，薄膜表面析出的泡沫狀非晶物質(zhì)可以增加晶界面積與晶粒體積的比值來提高磁化強(qiáng)度，此時鐵磁性的增加是由

5、薄膜表面的磁性的非晶物質(zhì)導(dǎo)致的。
　　2.多次退火對Zn0.98Mn0.02O薄膜的鐵磁性的影響
　　磁控濺射制備的薄膜分別在氧氣和氮?dú)鈿夥障虏煌瑴囟阮A(yù)退火3h。當(dāng)預(yù)退火溫度未超過700℃時，退火過程能促進(jìn)薄膜中的錳離子逐漸的取代了鋅離子的位置，隨著預(yù)退火溫度的增加，通過SEM觀察到薄膜表面出現(xiàn)了析出物，通過分析確定此析出物是ZnMn2O4。所有預(yù)退火的樣品在N2/H2(99.999％)氣氛下630℃退火1h后，預(yù)退火的薄膜

6、由原來的室溫順磁性變成室溫鐵磁性，經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)，在氮?dú)?00℃預(yù)退火的薄膜中鐵磁性是最強(qiáng)的。對于多次退火的Zn0.98Mn0.02O薄膜的鐵磁性起源可以用束縛磁極化子模型來解釋。最后我們討論了ZnMn2O4出現(xiàn)在薄膜的表面的原因。
　　3.Zn1-xMnxO納米顆粒的室溫鐵磁性的研究
　　首先，利用共沉淀法制備不同錳摻雜濃度的Zn1-xMnxO納米顆粒，研究錳摻雜濃度對納米顆粒結(jié)構(gòu)和室溫鐵磁性的影響。然后Zn0.92Mn0.

7、08O納米顆粒分別放入氧氣，氬氣，一氧化碳，氫氣中700℃退火0.5h。樣品的吸收光譜和Raman光譜測量結(jié)果證明更多的氧空位出現(xiàn)在H2和CO退火的樣品中。對樣品的PL光譜的黃綠發(fā)光峰進(jìn)行高斯解譜的結(jié)果分析顯示一價氧空位所占的濃度和比例越大的樣品，對應(yīng)的室溫鐵磁性越強(qiáng)，這為一價氧空位在誘導(dǎo)室溫鐵磁性中的重要作用提供了的證據(jù)。
　　4.鈮摻雜鈦酸鍶單晶的電致電阻效應(yīng)
　　研究了退火處理對SrTiO3∶Nb單晶的電致電阻效應(yīng)的影