ZnO基稀磁半導體的鐵磁性機理.pdf

1、自旋電子學是20世紀末發(fā)展起來的一門新興交叉學科，它同時利用電子的電荷屬性與自旋屬性，有望實現(xiàn)集磁-光-半導體等性質(zhì)于一體的多功能材料與器件。與使用正負電荷的現(xiàn)有的微電子器件相比，自旋電子器件具有處理速度快、穩(wěn)定性好、集成度高、耗電量低、非揮發(fā)性、尺寸小等優(yōu)點，在信息通訊、國防軍事、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。
　　 ZnO具有帶隙寬、激子結(jié)合能高、溫度穩(wěn)定性好、易于與多種半導體實現(xiàn)集成等優(yōu)異特性，因此對ZnO基自旋電子材

2、料的制備、鐵磁性起源機理以及自旋相關(guān)輸運性質(zhì)的深入研究具有重要的理論意義和應用前景，已成為目前自旋電子學、材料科學和凝聚態(tài)物理學最為活躍的研究方向之一。
　　 本論文采用實驗與第一性原理計算相結(jié)合的方法，研究了Cr摻雜ZnO薄膜、Zn/ZnO納米核一殼結(jié)構(gòu)樣品、ZnO/A1N異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自旋相關(guān)輸運性質(zhì)，并對ZnO基稀磁半導體材料的鐵磁性機理進行了深入的探討，主要結(jié)果如下：
　　 一、采用磁控濺射方法制備了CrxZn1-x

3、O（O≤x≤0.091）多晶薄膜，結(jié)構(gòu)測試表明樣品具有ZnO六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，在儀器的測量精度范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)其它具有鐵磁性的雜質(zhì)相存在；磁性測量結(jié)果表明，樣品具有室溫鐵磁性，隨著Cr摻雜濃度的增加，樣品的飽和磁化強度降低；當Cr摻雜濃度為x=O.012時，飽和磁化強度達到最大值0.58μB/Cr，且居里溫度（TC)高于400 K，進一步排除了唯一具有鐵磁性的第二相CrO2(TC=386K)的存在，從而證明了鐵磁性是樣品的內(nèi)稟屬性。第一性原

4、理計算結(jié)果表明，摻雜ZnO體系只有在Cr原子處于近鄰排列時顯示鐵磁性，其費米能級附近的載流子具有100％自旋極化率，態(tài)密度分析結(jié)果表明，鐵磁性是由自旋極化載流子調(diào)控的O2p-Cr3d雜化產(chǎn)生的。對Cr摻雜ZnO體系的光學性質(zhì)的計算表明，由于Cr3d態(tài)和Zn4s態(tài)中電子的帶內(nèi)躍遷，使得Cr摻雜ZnO體系在可見光區(qū)有很強的吸收峰，從而提高了ZnO的可見光吸收和催化效率。
　　 二、采用磁控濺射的方法制備了一系列Zn/ZnO納米核-殼

5、結(jié)構(gòu)樣品，其居里溫度高于400℃。當顆粒度小于76 nm時，飽和磁化強度和顆粒度之間存在的標度關(guān)系，表明樣品中的點缺陷是存在于Zn與ZnO的界面區(qū)域。隨著顆粒度的減小，樣品的飽和磁化強度增大，當樣品顆粒度為37nm時，ZnO殼層的最大飽和磁化強度高達28 emu/cc。光致發(fā)光譜測量結(jié)果表明Zni（或與VO的復合缺陷）及界面處的電荷轉(zhuǎn)移效應對樣品的鐵磁性有至關(guān)重要的影響，給出了ZnO稀磁半導體材料符合巡游電子鐵磁性機制的實驗證據(jù)。

6、>　　 三、采用第一性原理計算的方法構(gòu)造了ZnO/A1N異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合能計算結(jié)果表明，當O原子和N原子對接時，并且O原子恰好在N原子的正上方時的結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的。能帶結(jié)構(gòu)分析表明，異質(zhì)結(jié)構(gòu)是半金屬性的鐵磁性材料，其自旋極化率為100%，體系的總磁矩為2.19μB，并且磁矩主要由界面處的N原子和O原子貢獻的。分波態(tài)密度分析結(jié)果表明，界面處N原子和O原子的2p態(tài)發(fā)生強烈的雜化，且引入了大量的空穴載流子，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鐵磁性應該是由空穴載流子調(diào)控