In2O3稀磁氧化物半導(dǎo)體的局域結(jié)構(gòu)與磁、輸運(yùn)性能.pdf

1、In2O3稀磁氧化物半導(dǎo)體集光、電、氣和磁學(xué)性能于一身，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。最近幾年，人們對(duì)如何調(diào)控In2O3稀磁半導(dǎo)體的各種性能進(jìn)行了大量的研究，但是摻雜磁性離子的局域結(jié)構(gòu)以及自旋相關(guān)的磁、輸運(yùn)性質(zhì)等重要問題仍須進(jìn)一步澄清。
　　在本論文中，通過磁控濺射法在SiO2/Si(100)基片上沉積了Cr單摻雜、Fe/Cu共摻和Co/Cu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)、同步輻射X

2、射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)、Hall效應(yīng)、電阻率-溫度曲線(R-T)和磁性能測(cè)試(SQUID)等結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試方法系統(tǒng)地研究了In2O3稀磁半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與物理性能，主要有:
　　1、Cr摻雜In2O3薄膜的結(jié)構(gòu)分析顯示，Cr離子以高自旋+2價(jià)離子取代In3+位，進(jìn)入In2O3晶格，薄膜中不存在Cr相關(guān)的單質(zhì)或氧化物第二相。CrK邊的多重散射理論計(jì)算進(jìn)一步確定摻雜Cr離子第一近鄰配位存在氧空位。Cr摻雜濃度較低的樣品中存在金屬

3、-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的導(dǎo)電行為，但高濃度樣品中只存在半導(dǎo)體導(dǎo)電行為，其導(dǎo)電機(jī)制符合Mott可變程躍遷模型，說明載流子是強(qiáng)局域的。磁性能顯示樣品飽和磁化強(qiáng)度隨著Cr摻雜量增加先增大后降低，而電阻率單調(diào)升高，這表明樣品具有的室溫鐵磁性不是由載流子介導(dǎo)機(jī)制引起的。樣品的鐵磁性是內(nèi)稟鐵磁性，可以用與氧空位有關(guān)的缺陷所產(chǎn)生的束縛磁極子模型來解釋。
　　2、系統(tǒng)地研究了Fe/Cu共摻雜In2O3薄膜的局域結(jié)構(gòu)、磁輸運(yùn)學(xué)性能。研究結(jié)果表明:Fe以Fe2

4、+和Fe3+離子取代In3+位，進(jìn)入In2O3晶格，近鄰殼層存在氧空位，樣品沒有Fe相關(guān)單質(zhì)或氧化物第二相生成。摻雜Cu以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在，沒有進(jìn)入In2O3晶格。Fe摻雜濃度較低時(shí)，樣品出現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變導(dǎo)電行為;當(dāng)摻雜濃度增加后，則完全表現(xiàn)為半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。其導(dǎo)電機(jī)制在溫度較低時(shí)由Mott可變程躍遷機(jī)制主導(dǎo)，高溫時(shí)硬帶躍遷則為主要導(dǎo)電機(jī)制。所有樣品都具有明顯的室溫鐵磁性，隨Fe摻雜濃度的增加，飽和磁化強(qiáng)度增加，而載流子濃度則單

5、調(diào)降低，這表明載流子為媒介的RKKY機(jī)制不是其鐵磁性的來源。UV透射光譜發(fā)現(xiàn)樣品禁帶寬度隨摻雜量升高而降低。共摻雜樣品鐵磁性是內(nèi)稟的，主要由Fe取代In位產(chǎn)生，摻雜Fe離子之間發(fā)生的鐵磁性交互作用與氧空位有密切關(guān)聯(lián)，這表明鐵磁性起源于束縛磁極子極化。Cu單質(zhì)或氧化物可能會(huì)通過縮小束縛磁極子的范圍來抑制鐵磁性交互作用，氧空位數(shù)量降低也會(huì)抑制束縛磁極子產(chǎn)生。
　　3、系統(tǒng)地研究了Co/Cu共摻雜In2O3薄膜的局域結(jié)構(gòu)、磁輸運(yùn)學(xué)性能。

6、結(jié)果表明:大部分摻雜Co原子以Co2+離子取代In3+位形式進(jìn)入In2O3晶格中，且最近鄰殼層存在氧空位。但還有少部分摻雜Co原子形成了Co單質(zhì)，樣品沒有Co相關(guān)氧化物第二相生成。隨著氧分壓的增加，明顯發(fā)現(xiàn)摻雜Co原子完全取代In3+位形式進(jìn)入In2O3晶格中。摻雜Cu原子以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在，沒有進(jìn)入In2O3晶格。所有樣品都只具有半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，其導(dǎo)電機(jī)制在低溫區(qū)內(nèi)由Mott可變程躍遷機(jī)制主導(dǎo)，高溫區(qū)則符合硬帶躍遷機(jī)制。樣品都呈現(xiàn)