氧化物稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性及其在霍爾器件中的應(yīng)用.pdf

1、自旋電子學是致力于同時操控電子的電荷自由度和自旋自由度的新興科學。在眾多的自旋電子器件候選材料中，由于稀磁半導(dǎo)體具有著較高的居里溫度，因此在近些年引起了人們的廣泛關(guān)注。相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件，基于稀磁半導(dǎo)體制備的自旋電子器件，具有更快的處理速度、更高的集成度、更低的功耗等眾多優(yōu)勢。但是到目前為止，稀磁半導(dǎo)體領(lǐng)域中不論是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究，都存在有許多爭議與亟待解決的科學問題。因此本文選定傳統(tǒng)氧化物稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性以及氧化物稀磁半導(dǎo)體基

2、顆粒薄膜在霍爾器件上的應(yīng)用進行了以下研究：
　　第一，采用磁控反應(yīng)濺射制備了厚度為280nm的Cux(Cu2O)1-x顆粒膜，實驗結(jié)果表明不同金屬體積比的顆粒膜中均出現(xiàn)了室溫鐵磁性，成分及光致發(fā)光譜的結(jié)果表明，該體系中的鐵磁性與界面處的Cu空位（VCu）存在緊密的聯(lián)系。
　　第二，為了進一步說明Cu/Cu2O界面處的鐵磁性，本文采用磁控濺射及氧氣中退火的方法制備了粒徑約為8～9nm的Cu/Cu2O核殼納米顆粒。Cu/Cu2O

3、核殼納米顆粒具有更大的室溫鐵磁性，體系的飽和磁化強度隨著退火時間呈現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢，其中飽和磁化強度的最高值為19.8emu/cc，甚至高于某些磁性元素摻雜的Cu2O體系。通過光致發(fā)光譜的分析，發(fā)現(xiàn)體系中磁性強弱的變化趨勢與體系中VCu的含量有著密切的關(guān)系。根據(jù)Cu/Cu2O界面的能帶排列，VCu所導(dǎo)致的鐵磁性可以采用局域電荷轉(zhuǎn)移的Stoner模型來理解。同時，退火過程實際上是調(diào)控Cu原子在Cu/Cu2O界面處的擴散，引起界面

4、處VCu的變化，進而起到調(diào)節(jié)磁性的作用。
　　第三，采用基于密度泛函理論的第一性原理計算，研究了Cu/Cu2O的界面的穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)、Cu原子的擴散勢壘。結(jié)果表明，只有界面處第二層的VCu才會導(dǎo)致較大的局域磁矩，而且該局域磁矩主要由最近鄰O的2p軌道和與成鍵的最近鄰的Cu原子3d軌道共同貢獻。由于其雜質(zhì)態(tài)位于費米能級附近，電荷轉(zhuǎn)移使得Stoner判據(jù)得到滿足，導(dǎo)致體系的自旋劈裂。由于反鍵態(tài)的作用，ONN-2p的交換劈裂也使得其最

5、近鄰的Cu原子的3d軌道也產(chǎn)生了交換劈裂。通過對比不同位置VCu的空間結(jié)構(gòu)與局域態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)只有第二層的VCu會使得其最近鄰的O原子獲得兩個懸鍵態(tài)，從而使O原子的2p軌道更加局域，可以使費米能級處具有較大的態(tài)密度。而位置的VCu均無法為其最近鄰的O原子創(chuàng)造足夠多的懸鍵態(tài)，因此體系中未出現(xiàn)明顯磁性。通過過渡態(tài)計算，研究了Cu在Cu/Cu2O界面之間的擴散勢壘。研究結(jié)果表明，Cu通過界面擴散至Cu2O需要跨越1.2eV的能量勢壘。在實驗條件

6、O2壓強0.2Pa、襯底溫度150℃下，Cu跨越1.2eV的勢壘并占據(jù)Cu2O的VCu需要40分鐘，因此實驗上可以通過退火過程控制Cu的擴散，進而調(diào)控Cu/Cu2O的界面磁性。
　　第四，采用離子束濺射的方法制備了Fex(ZnO)1-x顆粒薄膜，并通過調(diào)節(jié)膜厚和成分比例，探索金屬-稀磁半導(dǎo)體顆粒薄膜在霍爾元件上的應(yīng)用潛力。實驗結(jié)果表明，當薄膜的厚度由50nm下降至2.8nm時，F(xiàn)e0.6(ZnO)0.4顆粒薄膜的反?；魻栂禂?shù)可以增

7、加至原來的9倍，約為4.27×10-7m3/C，同時也是相同厚度的純Fe薄膜的12倍。所有樣品中，2.8nm的Fe0.6(ZnO)0.4的納米顆粒薄膜具有最大的室溫霍爾靈敏度（130V/AT），與傳統(tǒng)半導(dǎo)體（GaAs等）的霍爾元件靈敏度相當，而且其工作溫區(qū)為10K～300K，遠大于商用的高靈敏度霍爾傳感器（InSb，260~420K），因此具有較大的應(yīng)用潛力。更重要的是，磁性顆粒膜中普遍存在的超順磁現(xiàn)象并未出現(xiàn)在Fex(ZnO)1-x顆

8、粒薄膜中。這是因為Fex(ZnO)1-x顆粒薄膜中的母體材料不是本征的ZnO，而是在制備過程中被Fe摻雜后的稀磁半導(dǎo)體（Fe-ZnO）。具有稀磁半導(dǎo)體特征的Fe-ZnO與Fe顆粒也存在有相互作用，保護了Fe顆粒室溫磁穩(wěn)定性，因此即使當Fex(ZnO)1-x顆粒薄膜接近二維時，仍然能夠保留較大的室溫鐵磁性。Fex(ZnO)1-x顆粒薄膜的反?；魻栯妼?dǎo)率與正常電導(dǎo)率之間指數(shù)關(guān)系為σxy∝σ1.7±0.1xx，驗證了多帶理論在高無序度的體系中