Mn摻雜ZnO外延薄膜的局域結構及稀磁特性研究.pdf

1、近年來，稀磁半導體(DMS)由于在自旋電子學器件方面的潛在應用而引起了廣泛的關注。Dietl等人的理論計算預測，p型摻雜(Zn，Mn)0可能具有室溫鐵磁性。自從該工作發(fā)表以來，Mn摻雜ZnO體系引起了研究人員強烈的興趣，成為稀磁半導體領域重點研究的材料之一。在近兩年的實驗結果報道中，(Zn，Mn)0中觀察到了豐富的磁學現(xiàn)象，既有低溫鐵磁性和室溫鐵磁性也有順磁、反鐵磁。關于這些磁學特性的產(chǎn)生機理，尤其是鐵磁性究竟是因為載流子與局域磁矩相互

2、作用而產(chǎn)生還是源自與Mn相關的磁性分離相等根本性的問題都具有很大的爭議。目前唯一普遍認同的一點就是，(Zn，Mn)O的磁性對制備方法和生長條件非常敏感。事實上，制備條件的影響最終都體現(xiàn)在樣品的結構上。不同的制備條件得到不同的樣品結構，從而決定了不同的磁學特性。因此，最根本問題就是要弄清楚體系的結構，尤其是摻雜Mn原子的局域結構，這對于解釋鐵磁性具有重要意義。 在本論文中，我們主要采用了MnK邊廣延x射線吸收精細結構(EXAFS)

3、對(Zn，Mn)O樣品進行了局域結構研究。作為一種可以對指定元素進行結構分析的方法，EXAFS技術在摻雜原子只占很小一部分的DMS體系研究中具有得天獨厚的優(yōu)勢。值得一提的是，在模擬EXAFS實驗曲線時，我們采用了多相x(k)函數(shù)線性疊加模擬的方法來處理高摻雜以及退火處理的樣品中可能存在多種Mn原子局域環(huán)境配置的情況。而對于只有一種主要局域結構的樣品，仍然采用了傳統(tǒng)的最小二乘法進行擬合，得到了配位數(shù)N、鍵長R、無序度σ2。等詳細的結構參數(shù)

4、。對于襯底200℃度條件下生長的不同Mn含量系列樣品，EXAFS結果表明在低Mn含量的樣品中，Mn原子主要位于ZnO晶格中Zn原子的替代位置。當№含量提高時(目標摻雜20﹪或更高)，生成了面心立方結構的Mn0團簇。此外，我們還發(fā)現(xiàn)如果把襯底溫度設定為150℃，則在目標摻雜20﹪的樣品中可以避免形成分離相。由于此樣品接近于Mn原子在Zn0中的溶解度極限，所以當在氧氛圍中400℃退火1小時后樣品中會形成大量Mn2O3團簇。 除了EX

5、AFS之外，我們還對樣品進行了系統(tǒng)的VSM磁性測量。在錳含量低于20﹪的樣品中，觀察到了居里溫度為45K的鐵磁性。隨著Mn含量繼續(xù)增大，薄膜的磁性從鐵磁性轉變成為反鐵磁性。這與結構從替位形式到Mn0團簇的轉變相互一致。此外，退火前樣品表現(xiàn)出的鐵磁性也會隨著退火明顯變?nèi)?。根?jù)EXAFS的結果，我們有理由認為這是由于退火導致Mn氧化物分離相的產(chǎn)生，從而損害了樣品的鐵磁性?？傊?，通過結構與磁性的平行研究，我們揭示了摻雜Mn原子在(Zn，Mn)