鍺碲基相變磁性材料的制備及性能研究.pdf

1、相變磁性材料(PCMM)集相變材料(PCM)與稀磁半導(dǎo)體材料(DMS)特性于一體,不僅具有相變材料快速可逆的結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn),而且當(dāng)自旋有效引入到相變材料中時(shí),新型的相變磁性材料的光、電、磁等特性會(huì)隨著材料在晶態(tài)與非晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變而發(fā)生變化,這為控制材料的磁性提供了相變這樣一種便捷方式,并且有可能應(yīng)用在新型的磁光、磁電耦合器件、信息存儲(chǔ)器、邏輯器件和多功能自旋器件中。相變磁性材料作為新合成的多功能材料,潛在的應(yīng)用前景受到研究者的廣泛關(guān)

2、注。但自旋是作為另外一個(gè)自由度引入到相變材料里面的,許多材料學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題,如磁基態(tài),磁性轉(zhuǎn)換方式等尚未明確,還沒(méi)有形成有關(guān)相變磁性材料磁與相變研究的完整體系。本文系統(tǒng)地研究相變磁性材料的制備工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、磁性與相變特性,分析了相變磁性材料中磁性來(lái)源的機(jī)理,提出了相變調(diào)控磁性的原理,為基于相變磁性材料的多功能自旋器件提供了材料級(jí)的基礎(chǔ)研究。
　　本文選擇一種穩(wěn)定的二組元相變材料鍺碲(GeTe)作為基體,通過(guò)磁性離子的摻雜把自旋引入

3、到非磁性的相變材料中。首先從基體材料GeTe的結(jié)構(gòu)特征開(kāi)始,通過(guò)磁控濺射方法制備了多晶相變材料GeTe薄膜,鑒于鹽巖石結(jié)構(gòu)的GeTe薄膜含有大量本征結(jié)構(gòu)缺陷——陽(yáng)離子空位,提出了替位取代的方法定量研究鹽巖石結(jié)構(gòu)的GeTe薄膜結(jié)構(gòu)空位比例。選擇與空位缺陷的電子半徑接近的鐵磁性元素鈷,采用共濺射的方法制備均勻同質(zhì)摻雜的Ge1-xCoxTe薄膜, X射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜(XPS)測(cè)試表明鈷進(jìn)入到GeTe填隙位置,將材料的本征結(jié)

4、構(gòu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為摻雜量問(wèn)題,證明鹽巖石結(jié)構(gòu)的GeTe中空位比例為8％,并且基于超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)測(cè)試結(jié)果的自旋極化計(jì)算證實(shí)了8％的鍺空位的合理性?；诰B(tài)GeTe含有8％陽(yáng)離子空位結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使用脈沖激光沉積的方法制備了系列Ge1-xFexTe薄膜,優(yōu)化制備工藝制備出成分保持性,厚度均勻性及表面平整度均較好的非晶態(tài)與晶態(tài)相變磁性材料薄膜。
　　使用SQUID測(cè)量了制備的非晶態(tài)與晶態(tài)相變磁性材料Ge1-xFexTe薄膜的磁性行為

5、,典型的磁滯回線(M-H)和較大的矯頑場(chǎng)說(shuō)明薄膜材料中存在著鐵磁交換作用。飽和磁化強(qiáng)度隨著磁性離子濃度的增加而減小,說(shuō)明薄膜料中存在著磁性離子之間的反鐵磁交換作用。結(jié)合電輸運(yùn)特性的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)晶態(tài)相變磁性材料Ge1-xFexTe薄膜的自由載流子空穴濃度非常高,在較低的磁性離子濃度(x=0.02)時(shí)達(dá)到1021 cm-1,并且隨著溫度的變化,空穴濃度變化幅度不大,提出了低磁性離子濃度摻雜的Ge1-xFexTe薄膜磁性來(lái)源于自由載流子空穴調(diào)控

6、鐵離子之間的長(zhǎng)程交換作用,是一種典型的RKKY交換作用。同時(shí)測(cè)量了薄膜材料的變溫磁化曲線(M-T),分別對(duì)場(chǎng)冷和零場(chǎng)冷變溫磁化數(shù)據(jù)進(jìn)行了基于平均場(chǎng)理論的三維自旋波模型和改進(jìn)的零場(chǎng)冷經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合,發(fā)現(xiàn)薄膜的磁化行為是由材料的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向決定的,是一種本征鐵磁性行為。高濃度磁性離子摻雜的樣品中出現(xiàn)異常的二次鐵磁相變現(xiàn)象,通過(guò)居里外斯定理的擬合,證明這種二次鐵磁相變是從載流子調(diào)控的長(zhǎng)程鐵磁交換作用到鐵離子偶極場(chǎng)之間的超順磁效應(yīng)的轉(zhuǎn)變,鐵離子

7、之間偶極場(chǎng)的存在說(shuō)明高濃度摻雜的樣品中存在著聚集的鐵磁團(tuán)簇,這種聚集磁性離子團(tuán)簇用一般的結(jié)構(gòu)分析方法(XRD、TEM、Raman)是無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的,是由固溶體系的旋節(jié)分解導(dǎo)致的,因而提出了二次異常的鐵磁相變作為旋節(jié)分解存在于稀磁半導(dǎo)體的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
　　磁性機(jī)理的分析證明低濃度相變磁性材料Ge1-xFexTe薄膜的鐵磁性是材料的本征屬性?；诖?分別測(cè)量了晶態(tài)和非晶態(tài)Ge0.98Fe0.02Te薄膜的變溫磁化曲線,探討了相變前后

8、相變磁性材料Ge0.98Fe0.02Te薄膜的鐵磁作用機(jī)制的變化。發(fā)現(xiàn)晶態(tài)相變磁性材料的場(chǎng)冷磁化曲線遵循平均場(chǎng)理論的T3/2定理,說(shuō)明材料的磁性來(lái)源于長(zhǎng)程鐵磁交換作用,這種長(zhǎng)程作用是由材料內(nèi)部高載流子濃度(p＞1020 cm-3)調(diào)制形成的。而非晶態(tài)相變磁性材料的場(chǎng)冷磁化曲線則遵循居里外斯定理,說(shuō)明材料的磁性來(lái)源于短程鐵磁交換作用,這種弱短程交換作用常見(jiàn)于低電導(dǎo)磁性半導(dǎo)體,由于自由載流子濃度較低不足以形成長(zhǎng)程的鐵磁交換作用,在材料內(nèi)部局

9、域地區(qū)形成短程鐵磁交換作用。因而提出相變調(diào)控鐵磁性的機(jī)理在于相變磁性材料內(nèi)部鐵磁交換作用長(zhǎng)短程序的交替變化,而這正好與相變過(guò)程中相變材料的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)短程序的變化是一致的。
　　最后,考慮到單晶相變磁性材料可能具有較高的居里溫度和較大的磁矩變化幅度,而這對(duì)于相變磁性材料的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義,因此嘗試制備了高質(zhì)量外延相變磁性材料薄膜。分別選用單晶MgO和BaF2襯底匹配α-GeTe和β-GeTe相的Ge1-xFexTe相變磁性材料晶格,