Fe摻雜In-,2-O-,3-室溫磁性半導體.pdf

1、2000年，Dielt等人在理論上預言P型ZnO半導體摻雜5﹪的Mn在300K以上具有鐵磁性，這一預測吸引了研究者們廣泛的注意，于是世界各個研究團隊迅速展開了氧化物磁性半導體的研究工作，其中以在ZnO，TiO<,2>，SnO<,2>和In<,2>O<,3>中摻雜過渡金屬元素的研究最為廣泛。下一代多功能器件要求把電子學、磁學和光子學整合在一起，為了達到這個目的，尋找具有可調節(jié)的載流子濃度、高遷移率、高的磁矩以及透明的磁性半導體變得越來越重

2、要。 這里我們報道了Fe摻雜In<,2>O<,3>磁性半導體，樣品具有室溫鐵磁性，很有希望可以滿足以上的標準。 氧化銦，立方方鐵錳礦結構，晶格常數10．12A，通過錫摻雜或引入氧空位可以成為n型寬禁帶半導體，禁帶寬度3.75eV，是一種應用廣泛的透明氧化物半導體材料。在氧化銦中進行錫摻雜或引入氧空位可以提高載流子濃度，并且載流子濃度可以通過改變摻雜濃度或者樣品制備時氧氣壓的大小來加以控制。氧化銦的這些優(yōu)良的性質使得它在各

3、個方面具有很廣泛的應用，比如氣敏材料、平板顯示器和光電子器件。相比以ZnO和TiO<,2>為基磁性半導體系統(tǒng)的廣泛研究，以In<,2>O<,3>為基的磁性半導體的研究才剛剛起步，目前只有幾篇文獻報道了過渡金屬摻雜In<,2>O<,3>的鐵磁性，其中以在In<,2>O<,3>中摻雜Fe最吸引研究者們的注意。這主要時因為Fe最常出現的化學價和In的化學價都是+3價，這使得Fe原子比較容易摻入到In<,2>O<,3>晶格當中。盡管如此，我們仍

4、然需要對Fe摻雜In<,2>O<,3>薄膜樣品做進一步的研究來確定觀測到的樣品的室溫鐵磁性是否是本征的。 用脈沖激光沉積的方法在R-cut藍寶石襯底上制備了Fe摻雜In<,2>O<,3>的薄膜。 制作薄膜樣品所需要的(In<,1->Fe<,x>)<,2>O<,3>(x=0.01，0.03，0.05，0.07，0.09)靶材用傳統(tǒng)的固相反應法制得。將純度為99.99﹪的Fe<,2>O<,3>和In<,2>O<,3>粉末按照

5、原子比Fe/(111+Fe)為1﹪、3﹪、5﹪、7﹪和9﹪的比例均勻混合，研磨兩個小時，在20Mpa的壓力下壓制成直徑40mm的圓形靶。把圓形靶放入高溫爐中在溫度1300℃下燒結10個小時，燒結成陶瓷靶。 薄膜樣品采用R-cut藍寶石襯底，在不同的襯底溫度下用激光脈沖沉積制備而成。薄膜厚度大約260nm。實驗采用的激光為krF激光，波長為248nm，頻率為5Hz。打到靶上的激光能量密度為1.8 J/cm<'2>。實驗過程中生長室

6、的本底壓強為1×10<'-5>Pa。樣品生長過程中通入高純氧，氧氣壓在0～1×10<'-3> Pa之間。靶和樣品之間的距離為10cm。樣品生長結束后在同樣的氧氣氛下以200C／min的速度自然冷卻。我們用X射線衍射(XRD)來測量分析樣品的結構。樣品出現了兩種不同的結構。第一種樣品出現了幾個bcc氧化銦晶體結構的衍射峰，而(440)峰的強度明顯高于其它衍射峰，這表明樣品具有較強的(440)取向。第二種樣品只出現了(222)的峰，表明樣品

7、在(222)晶面取向生長。在XRD精度范圍之內兩種樣品都沒有發(fā)現對應Fe以及其氧化物的雜質峰。 x射線光電子能譜(XPS)來確定樣品中Fe元素的化學價態(tài)。測量結果顯示Fe2p<'3/2>的束縛能為711 eV，這表明樣品中不存在Fe金屬團簇結構，因為在Fe金屬中Fe2p<'3/2>的束縛能為707eV。無論是圖像中Fe2p<'3/2>和Fe2p<'1/2>峰的位置還是Fe2p<,3/2>和Fe2p<'1/2>束縛能的差別都表明在

8、我們的樣品中Fe是以離子形式存在的。綜合考慮樣品XRD和XPS的測量結果，我們認為Fe元素通過替代氧化銦晶格中In原子的位置摻入到了晶格之中。 實驗中利用交變梯度磁強計(AGM)，振動樣品磁強計(VSM)和超導量子干涉儀(SqUID)對樣品的磁性能進行了測量。 為了研究氧空位對Fe-doped In<,2>O<,3>薄膜樣品中磁性的影響，樣品沉積過程中我們在真空室中引入了不同的氧氣壓。從摻雜濃度7﹪，沿著(440)晶面取

9、向生長的樣品的M-H圖像我們可以看到，氧氣壓在小于6.0x10<'-4>Pa的時候樣品具有明顯的室溫鐵磁性，磁化強度也并非隨著氧氣壓線性的變化。在氧氣壓從0-4.0x10<'-4>Pa之內增大時，樣品的磁矩隨之增長。氧氣壓4.0x10<'-4> Pa下制備的樣品飽和磁矩達到了2.5μB/Fe。當氧氣壓繼續(xù)升高的時候樣品的鐵磁性開始降低，在氧氣壓8.0×10<'-4>Pa的時候樣品的鐵磁性基本上消失。 在室溫下測量了制備過程中不充

10、氧的樣品在所加磁場分別平行和垂直于樣品的表面時的磁滯回線。測量結果表明樣品在室溫的鐵磁性具有明顯的磁各向異性。垂直膜面方向為易磁化軸的方向，飽和磁矩為1.35μB/Fe，矯頑場為680Oe。當磁場平行于樣品的表面時，飽和磁矩為1.0μB/Fe，矯頑場為380 Oe。 用SQtJID(300K以下)和VSM(300K以上)測量了樣品的M-T曲線，外加磁場1T，方向平行于膜面。從結果可以看出溫度從2K到300K變化時，樣品的飽和磁矩

11、緩慢降低，當溫度繼續(xù)增加的時候，磁矩迅速降低。從M-T曲線估計樣品的居里溫度高達927K，這遠遠的高于γ-Fe<,2>O<,3>和Fe<,3>O<,4>的居里溫度。 為了進一步研究氧空位對Fe-doped In<,2>O<,3>磁性半導體鐵磁性的影響，我們對已經制備的薄膜樣品進行了退火處理。樣品在真空中和空氣中交替退火，在真空中退火以產生更多的氧空位，在空氣中退火來降低氧空位的濃度。在稍低于生長溫度(600℃)的情況下長時間的退

12、火，比如在580℃下退火25小時，以避免晶體結構有所改變。結果顯示在氧氣壓2×10<'-4> Pa下制備的樣品交替退火的過程中，其鐵磁性可以可逆的進行轉變。很明顯，真空中退火可以提高樣品的鐵磁性，而在空氣中退火可以減弱樣品的鐵磁性，飽和磁化強度呈現一個可逆的振蕩。當外加磁場垂直于樣品表面的時候，飽和磁化強度在2.12μ<,B>/Fe和3.0 μ<,B>/Fe間可逆震蕩。不僅如此，在反復的退火過程中，樣品的磁晶各向異性并未消失，易磁化軸仍