Co、Mg共摻雜In2O3稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備、結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、本論文采用射頻磁控濺射法，在SiO2/Si(100)和超白玻璃基片上沉積了Co/Mg共摻雜In2O3稀磁半導(dǎo)體薄膜。利用X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、透射電子顯微鏡(TEM)、同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)、Hall效應(yīng)、電阻率-溫度曲線（p-T）、磁電阻(MR)和超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)等表征測(cè)試分析方法系統(tǒng)地研究了Co/Mg共摻雜In2O3稀磁半導(dǎo)體薄膜的局域結(jié)構(gòu)以及自旋相關(guān)的磁、輸運(yùn)性能，主要結(jié)果如

2、下:
　　1、制備了一系列Co摻雜濃度變化的(In0.97-xCoxMg0.03)2O3薄膜。XRD表征分析顯示薄膜為立方方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)Co、Mg團(tuán)簇及其氧化物等第二相。XPS和HRTEM表征分析顯示Mg和Co離子均以+2價(jià)形式存在，薄膜晶體取向性良好，條紋間距清晰均勻，元素Co除了主要以替位形式存在外，出現(xiàn)了少部分Co團(tuán)簇。具有元素分辨的同步輻射XAFS以及多重散射理論(FEFF9.0)計(jì)算表明，當(dāng)摻雜濃度x=0.02時(shí)

3、，Co離子完全替位In2O3晶格中的In1位，且第一近鄰配位存在氧空位缺陷。Hall效應(yīng)測(cè)試顯示，所有薄膜都呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電，隨著Co摻雜濃度的增大，載流子濃度先減小后增大。R-T測(cè)試表明薄膜樣品都表現(xiàn)為半導(dǎo)體導(dǎo)電屬性，導(dǎo)電機(jī)制在低溫區(qū)符合Mott變程躍遷，高溫區(qū)時(shí)符合硬帶躍遷導(dǎo)電機(jī)制。磁電阻(MR)測(cè)試表明，對(duì)于低Co濃度的摻雜樣品(x=0.02，0.04)在所有測(cè)試溫度下均為負(fù)磁電阻，隨著Co的摻雜濃度增至x=0.085，薄膜表現(xiàn)為正

4、磁電阻。紫外-可見光透射譜測(cè)試表明，隨著Co摻雜濃度增加，薄膜的透光率和禁帶寬度均逐漸減小。磁性測(cè)試表明所有薄膜樣品都具有室溫鐵磁性，隨著Co摻雜濃度的升高，飽和磁矩先增加后減小，而載流子濃度先減小后增大，排除了載流子介導(dǎo)機(jī)制引起室溫鐵磁性的可能性;室溫鐵磁性源于氧空位誘發(fā)的束縛磁極子模型，而對(duì)于高濃度的Co摻雜薄膜，替位Co的百分比含量減小，因此，由氧空位誘發(fā)產(chǎn)生的束縛磁極子數(shù)目減小，導(dǎo)致Ms減弱。
　　2、制備了一系列Mg摻雜

5、濃度變化的(In0.96-yCo0.04Mgy)2O3薄膜。結(jié)果表明:薄膜為立方方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)Co、Mg團(tuán)簇及其氧化物等第二相。當(dāng)Mg的摻雜濃度y=0.03時(shí)，薄膜中有少部分Co團(tuán)簇析出，隨著Mg的摻雜含量增加，Co團(tuán)簇消失。Hall效應(yīng)測(cè)試顯示所有薄膜均為n型導(dǎo)電，載流子濃度隨著Mg摻雜含量的增加而逐漸減小，電阻率則逐漸增大，且薄膜均表現(xiàn)為半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，低溫時(shí)符合Mott變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制，高溫時(shí)則為硬帶躍遷機(jī)制。U-V透射光

6、譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)薄膜樣品的透光率隨著Mg的摻雜濃度升高而增大，禁帶寬度亦逐漸增大，吸收邊發(fā)生藍(lán)移。隨著Mg的摻雜濃度的升高，薄膜的磁電阻由負(fù)磁阻向正磁阻轉(zhuǎn)變;當(dāng)Mg的摻雜濃度達(dá)到y(tǒng)=0.06時(shí)，薄膜在10K時(shí)出現(xiàn)正磁阻，溫度繼續(xù)升高后，薄膜的磁電阻向負(fù)磁阻轉(zhuǎn)變，這也表明磁電阻與的正負(fù)性與測(cè)試溫度有關(guān)。所有薄膜樣品均表現(xiàn)出本征室溫鐵磁性，且Ms隨著Mg摻雜的含量升高先增大后減小，摻雜Co離子之間發(fā)生的鐵磁性交互作用與氧空位密切關(guān)聯(lián)，而氧空位誘發(fā)