Cr摻雜TiO-,2-、ZnO稀磁半導(dǎo)體的性能研究.pdf

1、摘要摘要自從在COT“102薄膜中發(fā)現(xiàn)了室溫鐵磁性以來(lái)，過(guò)渡族金屬元素?fù)诫s氧化物稀磁半導(dǎo)體材料成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。但是各研究組對(duì)于材料的室溫鐵磁性是否是內(nèi)票屬性，以及鐵磁性的來(lái)源仍存在爭(zhēng)議。針對(duì)這些問(wèn)題，本論文采用磁控濺射的方法制備了非晶Cr摻雜TiO2和多晶Cr摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、成份及電磁輸運(yùn)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)非晶Cr摻雜Ti仇稀磁半導(dǎo)體材料的研究表明:所有制備態(tài)的樣品都具有室溫鐵磁性Cr摻雜

2、濃度為5%的樣品，340K時(shí)飽和磁矩達(dá)到最大值3.21x10場(chǎng)BCr，居里溫度高于390K。通過(guò)對(duì)樣品的X射線衍射譜、X射線光電子能譜和磁性數(shù)據(jù)的分析，排除了第二相或金屬顆粒團(tuán)簇對(duì)系統(tǒng)鐵磁性的影響，證實(shí)系統(tǒng)鐵磁性為內(nèi)享鐵磁性。不同Cr摻雜濃度樣品的方塊電阻大于lolloc擴(kuò)，光學(xué)帶隙在3.21eV3.28eV之間。500℃空氣退火后，樣品由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變成多晶態(tài)，系統(tǒng)的鐵磁性消失。這說(shuō)明薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)鐵磁性有很大的影響，結(jié)構(gòu)缺陷的存在有利

3、于系統(tǒng)鐵磁性的產(chǎn)生。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)系統(tǒng)鐵磁性的影響具有普遍性，實(shí)驗(yàn)又制備了多晶Cr摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體體系。研究發(fā)現(xiàn)所有制備態(tài)的樣品都具有室溫鐵磁性，Cr摻雜濃度為1.1%的樣品，340K時(shí)飽和磁矩達(dá)到最大值6.5x10k武r，居里溫度高于390K。樣品的結(jié)構(gòu)、成份及磁性的結(jié)果分析表明:Cr離子進(jìn)入晶格替代Zn原子與氧化合，系統(tǒng)鐵磁性為內(nèi)察鐵磁性。不同Cr摻雜濃度樣品的電阻率大于1護(hù)0cm，光學(xué)帶隙在3.23eV3.33eV之間。2

4、000C400℃真空退火處理后，薄膜的微觀結(jié)構(gòu)得到改善，光學(xué)帶隙增大，但仍然保持絕緣，并且系統(tǒng)磁性減小。這一結(jié)果再次證明鐵磁性可以存在于高絕緣態(tài)、多缺陷的稀磁半導(dǎo)體材料中，目前現(xiàn)有的理論模型例如:以載流子作為媒質(zhì)的類RKKY交換作用，雙交換作用，BMPs模型與FcenterBMPs模型都能解釋這種現(xiàn)象。因此我們認(rèn)為薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)材料的室溫鐵磁性有重要影響。關(guān)鍵詞:稀磁半導(dǎo)體室溫鐵磁性結(jié)構(gòu)缺陷居里溫度Abstractdramatical

5、lyafterannealing.TheseresultsareunexpectedinlightofthecurrenttheoriesofferromagneticorderinginDMSssuchasRKKYdoubleexchangeexchangethroughboundmagneticpolarons(BMPs)andFcenterBMPs.Itisalsoshowsthatstructuraldefectsplayapr