不同晶向YSZ襯底上鐵摻氧化銦單晶薄膜的生長和性質(zhì)研究.pdf

1、微電子學(xué)以研究和控制電子的電荷及其輸運(yùn)特性為主要內(nèi)容，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石。但是在傳統(tǒng)微電子學(xué)之中，電子只是被當(dāng)作電荷的載體，它的自旋特性一直未被引起重視。伴隨著器件集成度的提高，半導(dǎo)體元件的尺寸已經(jīng)進(jìn)入納米尺度，單位面積的能耗急劇上升，熱損傷問題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了性能和穩(wěn)定性。上世紀(jì)八十年代末，F(xiàn)ert和Grünberg幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)的巨磁阻抗效應(yīng)(GMR，GiantMagneto-Resistance)引發(fā)了磁存儲和磁記錄領(lǐng)域的革命

2、，使九十年代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用獲得了騰飛。從此之后，自旋電子學(xué)一門以研究、利用和控制自旋極化的電子輸運(yùn)過程為核心的新興學(xué)科，成為了科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。自旋電子學(xué)的目的是通過磁場等在介觀尺度上調(diào)制自旋狀態(tài)，借助電子傳導(dǎo)和磁性間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對電了輸運(yùn)特性的調(diào)制而開發(fā)出各種電了器件。要實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的自旋電子器件，首要任務(wù)就是要開發(fā)出既有半導(dǎo)體的帶隙，同時(shí)又具有磁性材料的自旋子帶劈裂的新材料，因而，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

3、備是應(yīng)當(dāng)首先解決的問題。
　　 現(xiàn)在常用的磁性氧化物制備的技術(shù)路線就是在半導(dǎo)體材料中摻雜過渡金屬元素，使之以替位摻雜的形式進(jìn)入半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過磁性離子之間的鐵磁耦合作用，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(jì)90年代，Ohno等人在GaAs中成功實(shí)現(xiàn)了Mn摻雜，但其居里溫度最高只能達(dá)170K，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(jì)算預(yù)言了Mn摻雜的寬禁帶半

4、導(dǎo)體GaN及ZnO會具有居里溫度高于300K的鐵磁性，這一結(jié)果一經(jīng)報(bào)道，立即引發(fā)了人們對于氧化物基鐵磁性半導(dǎo)體的研究熱情，大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作陸續(xù)開展起來。研究最多的是ZnO和TiO2體系，但不同研究組所報(bào)道的結(jié)果卻各不相同甚至互相矛盾，以致直至今日，關(guān)于過渡金屬摻雜的氧化物體系中是否具有本征鐵磁性的問題仍然沒有定論。同時(shí)，對于過渡金屬摻雜的氧化銦體系而言，盡管目前對于該體系的研究尚處于起步階段，但文獻(xiàn)所報(bào)道的結(jié)果中大部分都發(fā)現(xiàn)了鐵磁性

5、的存在，部分還發(fā)現(xiàn)了反常霍爾效應(yīng)等獨(dú)特的性質(zhì)，且鐵元素在氧化銦基體中的溶解度高達(dá)20％。在這樣的背景下，同時(shí)結(jié)合氧化銦基體材料所具有的優(yōu)良的光電特性及氣敏性質(zhì)，鐵摻雜氧化銦便成為了本論文的研究體系。
　　 樣品的制備，我們采用脈沖激光沉積的方法，實(shí)驗(yàn)所需要的陶瓷靶用固相反應(yīng)燒結(jié)的方法制備而成。我們在YSZ的不同晶面方向[(100)，(110)，(111)]的襯底上，以不同溫度生長了純氧化銦以及鐵摻氧化銦的樣品，XRD結(jié)果表明薄膜

6、都沿著各自襯底的晶向生長；原子力顯微鏡顯示三個(gè)方向的襯底都可以生長出具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的晶粒，(100)晶向趨向于長方體，(110)晶向趨向于截面為三角形的長條狀晶體，而(111)晶向趨向于二角柱或者六邊柱，同時(shí)有傾斜面存在；磁性測量表明在垂直于膜面和平行于膜面的方向都存在明顯的各向異性。樣品的生長過程中采用RHEED進(jìn)行監(jiān)控，衍射條紋尖銳，沒有雜點(diǎn)出現(xiàn)，說明所生長的薄膜具有很好的外延結(jié)構(gòu)。為了探討鐵磁性的來源，我們對樣品進(jìn)行了霍爾效應(yīng)的測量