Fe基In2O3和SiC稀磁半導(dǎo)體薄膜的局域結(jié)構(gòu)與磁、輸運性能.pdf

1、本論文采用射頻磁控濺射法分別制備了不同F(xiàn)e摻雜濃度的In2O3和SiC稀磁半導(dǎo)體薄膜。利用XRD、SEM、XPS、XAFS、SQUID、HALL、R-T以及U-V等表征測試方法系統(tǒng)地研究了In2O3和SiC稀磁半導(dǎo)體薄膜的局域結(jié)構(gòu)及自旋相關(guān)磁、輸運特性，獲得如下結(jié)果:
　　 1、研究了Fe摻雜In2O3薄膜的局域結(jié)構(gòu)和磁、輸運性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn):Fe摻雜In2O3薄膜中形成了立方方鐵錳礦晶體結(jié)構(gòu)，且低摻雜濃度下沒有Fe團簇和Fe的氧

2、化物第二相生成。Fe在In2O3薄膜中是以+2和+3混合價態(tài)形式存在。通過理論XANES譜擬合實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e在In2O3晶格中替位In1位且第一近鄰存在兩個氧空位。EXAFS測試表明，F(xiàn)e摻雜濃度低于16at％，In2O3薄膜中無Fe相關(guān)的第二相生成，而在更高Fe摻雜濃度的薄膜中則出現(xiàn)了金屬Fe團簇。紫外-可見光透射譜測試表明，隨Fe摻雜濃度增加，薄膜的光學(xué)帶隙和透光率逐漸減小，且透射邊出現(xiàn)紅移。輸運特性顯示不同F(xiàn)e摻雜濃度In2O

3、3薄膜都具有良好的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，載流子濃度隨著Fe濃度增加而減小，電阻率則增大。磁性測量顯示，不同F(xiàn)e摻雜濃度In2O3薄膜都具有明顯的室溫鐵磁性，薄膜的飽和磁化強度隨Fe摻雜濃度的增加而增大。低溫磁電阻特性發(fā)現(xiàn)，3at％Fe摻雜In2O3薄膜在不同溫度下均表現(xiàn)為負(fù)磁電阻，然而9at％Fe摻雜In2O3薄膜在較低溫度下(5K和10K)下表現(xiàn)為正磁電阻，較高溫度下(20K和30K)時表現(xiàn)為負(fù)磁電阻。低Fe摻雜濃度In2O3薄膜的鐵磁性可

4、運用Coey提出的束縛磁極子模型來解釋，即In3+-□-Fe2+和Fe3+-□□-Fe2+結(jié)構(gòu)存在于薄膜中，氧空位捕獲的電子與近鄰Fe3+離子的d軌道波函數(shù)發(fā)生交疊，從而發(fā)生耦合作用，形成束縛磁極子，當(dāng)這種束縛磁極子數(shù)量增多時，彼此之間會發(fā)生交疊產(chǎn)生交換作用，使得材料宏觀表現(xiàn)出鐵磁性。高Fe摻雜濃度In2O3薄膜的鐵磁性來自于金屬Fe單質(zhì)。
　　 2、研究了Fe摻雜SiC薄膜的局域結(jié)構(gòu)和磁、輸運性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn):制備態(tài)Fe摻雜Si

5、C薄膜表現(xiàn)為無序的非晶SiC結(jié)構(gòu)，1200℃退火后，薄膜形成3C-SiC結(jié)構(gòu)，同時生成Fe5Si3相，但Fe團簇和Fe氧化物等第二相的生成能被排除。實驗和理論的XANES和EXAFS結(jié)果表明，制備態(tài)Fe摻雜SiC薄膜中，F(xiàn)e在主要處在3C-SiC的4d間隙位，而1200℃退火薄膜中，則以Fe5Si3合金相存在。ρ-T輸運特性顯示:制備態(tài)薄膜具有好的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，隨Fe摻雜濃度的增加，輸運機制由Efros躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)镸ott躍遷機制，即l

6、nρ分別與(T)-1/2和(T)-1/4保持線性關(guān)系。磁性測量發(fā)現(xiàn)，薄膜的飽和磁化強度隨Fe摻雜濃度增加逐漸增大，磁性起源仍可運用束縛磁極子模型討論。對于制備態(tài)薄膜，間隙Fe作為施主可提供額外電子，容易形成束縛磁極子，束縛磁極子之間的交換耦合作用使得薄膜產(chǎn)生宏觀鐵磁性。而對于1200℃退火后的薄膜，其大的飽和磁化強度可能是由于Fe5Si3的生成，隨著Fe的濃度的增加，退火后Fe5Si3的量也增加，從而也表現(xiàn)出磁性隨著Fe濃度的增加而增加