鐵摻雜氧化銦薄膜的制備及磁性和輸運性質(zhì)研究.pdf

1、微電子學(xué)(Microelectronics)是電子學(xué)的一門分支學(xué)科，主要是研究電子或離子在固體材料中的運動規(guī)律及其應(yīng)用，并利用它實現(xiàn)信號處理功能的學(xué)科。微電子學(xué)是以實現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的的。微電子學(xué)是一門綜合性很強的邊緣科學(xué)，其中包括了半導(dǎo)體器件物理，集成電路工藝和集成電路工藝和集成電路及系統(tǒng)的設(shè)計、測試等多方面的內(nèi)容；涉及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)、材料科學(xué)、電子線路、信號處理、計算機輔助設(shè)計、測試和加工等多個領(lǐng)域

2、。在傳統(tǒng)微電子學(xué)之中，人們只是簡單地考慮了電子的電荷特性，并沒有考慮電子的自旋特性。隨著器件集成化程度的提高，微電子器件出現(xiàn)了一系列新的問題，例如器件進入納米尺度及由單位能耗上升引起的熱損耗等。同時，在納米尺度下由于量子限域效應(yīng)起主導(dǎo)作用，電子的能帶理論將不能完全解釋納米尺度下出現(xiàn)的新現(xiàn)象。所以，人們開始關(guān)注電子的另一個特性---自旋，提出研發(fā)一種能同時利用電子的兩個特性（電荷性和自旋性）的器件，該類器件具有運算速度快、尺寸小、能耗低、

3、斷電信息不消失及可用于量子計算等許多優(yōu)點。這個研究領(lǐng)域就是自旋電子學(xué)，是近些年來迅速發(fā)展的一個研究方向。這些性能優(yōu)異的自旋電子器件的制備首先需要一種新材料，這種材料要既具有半導(dǎo)體的帶隙又具有磁性材料的自旋子帶劈裂。由此可以看出，要實現(xiàn)自旋電子學(xué)的應(yīng)用，具有室溫鐵磁性和高自旋極化度的鐵磁性半導(dǎo)體材料的制備是非常關(guān)鍵的。上世紀八十年代末，F(xiàn)ert和Grünberg幾乎同時發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗效應(yīng)(GMR，Giant Magneto-Resista

4、nce)，引發(fā)了磁存儲和磁記錄領(lǐng)域的革命，使九十年代計算機的應(yīng)用獲得了騰飛。從此之后，自旋電子學(xué)成為了科學(xué)界研究的熱點。
　　 自旋電子學(xué)是一門結(jié)合磁學(xué)與微電子學(xué)的交叉學(xué)科，以研究電子的自旋極化輸運特性以及基于這些特性而設(shè)計、開發(fā)新的電子器件為主要內(nèi)容，其研究對象包括電子的自旋極化、自旋相關(guān)散射、自旋弛豫以及與此相關(guān)的性質(zhì)及其應(yīng)用等。
　　 典型的鐵磁性半導(dǎo)體的制備方法是在現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料中摻雜過渡金屬元素，使摻雜元素以

5、替位摻雜的形式進入半導(dǎo)體的晶格，磁性離子之間會有鐵磁耦合作用，這種作用使半導(dǎo)體材料在原有帶隙的基礎(chǔ)上產(chǎn)生鐵磁性。20世紀90年代，Ohno等人成功制備了Mn摻雜GaAs，該種材料居里溫度最高只能達到170K，遠低于室溫，無法滿足器件的應(yīng)用需求。2000年，T．Dietl等人基于傳統(tǒng)的Zener模型通過理論計算預(yù)言了Mn摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體GaN及Zn0會有室溫鐵磁性，這一報道立刻使人們對于氧化物基鐵磁性半導(dǎo)體的研究充滿了熱情，實驗和理論工

6、作陸續(xù)開展起來。研究最多的是Zn0和Ti02體系，但各個小組的研究結(jié)果卻各不相同甚至相互矛盾，所以關(guān)于過渡金屬摻雜的氧化物體系中的鐵磁性是否為本征的問題仍然沒有定論。然而，對于過渡金屬摻雜的氧化銦體系而言，大部分文獻報道了室溫鐵磁性的存在，部分還報道了反?；魻栃?yīng)等獨特性質(zhì)的存在，并且鐵元素在氧化銦基體中的溶解度很高，可以達到20％。此外，氧化銦還具有優(yōu)良的光電特性及氣敏性質(zhì)，所以我們選擇鐵摻雜氧化銦作為本論文的研究對象，成功制備了結(jié)構(gòu)

7、優(yōu)良的樣品并探討了樣品的鐵磁性和輸運性質(zhì)。
　　 本論文詳細介紹了利用脈沖激光沉積設(shè)備在YSZ(100)(110)(111)方向的襯底上生長外延鐵摻雜氧化銦薄膜，并且對樣品的磁性和輸運性質(zhì)進行了討論。實驗中使用的靶材為固相反應(yīng)燒結(jié)法制備。樣品制備過程中，利用RHEED對樣品表面進行了表征，制備完成后，又對樣品進行了XRD和AFM測量，以此來確認實驗得到了品質(zhì)良好的外延樣品。此外，利用SQUID測量了樣品不同溫度下的M-H曲線，發(fā)

8、現(xiàn)樣品具有室溫鐵磁性。同時，還使用范德堡四端法在SQUID系統(tǒng)中對樣品的輸運性質(zhì)進行了測量，發(fā)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)的存在，該效應(yīng)在室溫下也存在，這充分說明了樣品室溫鐵磁性的本征性。分析數(shù)據(jù)后，得出了樣品的載流子濃度，遷移率圖像和樣品的電阻隨溫度的變化曲線，并對曲線特征進行了說明。
　　 綜上所述，本文利用PLD生長了外延的鐵摻雜氧化銦薄膜，對樣品進行的RHEED，XRD，AFM測量均證明了這一點。實驗證明該材料具有室溫鐵磁性，不同樣