氧化物磁性半導體外延薄膜磁性的電場調控

《氧化物磁性半導體外延薄膜磁性的電場調控》是依託山東大學，由陳延學擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氧化物磁性半導體外延薄膜磁性的電場調控
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳延學
• 依託單位：山東大學

中文摘要

實驗和理論研究表明氧化物磁性半導體中的載流子及氧空位濃度對其磁性能有重要的影響，如果能通過外電場改變材料中的載流子濃度和氧空位分布，對其中的磁交換作用進行控制，就可以實現對其磁性能的電場調控。這對於氧化物磁性半導體的磁性機理研究和新型自旋電子器件的研製都非常重要。本項目中我們計畫開展如下研究工作：（1）在前期工作的基礎上，最佳化製備工藝，製備氧空位濃度可控的高質量In2O3，TiO2和NiO基磁性半導體外延薄膜；（2）利用氧化物磁性半導體作為溝道層，製備成場效應管結構，研究電場誘導的載流子對材料磁性能，輸運性能的調控規律，研究磁性半導體薄膜導電類型，介電常數等對電場調控效應的影響規律；（3）研究電場作用下磁性半導體內氧離子遷移規律及其對材料磁性能，輸運性能的影響規律。通過上述研究，探索得到外電場對氧化物磁性半導體磁性的調控機理，並最終實現室溫下電場對氧化物磁性半導體磁性的有效調控。

結題摘要

氧化物磁性半導體具有優異的磁學，電學和光學性質，在自旋電子器件中有著重要的套用前景。雖然對這類材料已有大量的實驗和理論研究，但氧化物磁性半導體中載流子濃度以及氧空穴分布對其磁性耦合作用的影響機理還沒有統一的認識。這不利於氧化物磁性半導體性能的最佳化和新型自旋電子器件的研製。如何利用電場調控氧化物磁性材料的磁性，是目前氧化物磁性材料研究領域的另一個挑戰。如果實現材料磁性的電調控，可以降低自旋電子器件運行能耗，有可能導致全新功能器件的誕生。針對上述問題，在本國家自然科學基金的資助下，我們主要開展了如下研究工作： 1. 研究了氧空位對Fe摻雜氧化鈦外延薄膜磁學及電學性能的影響規律，實驗結果表明：氧空位對於氧化鈦磁性半導體的電學和磁學性能有重要影響，隨著氧空位增加，電阻率降低，磁性增強。研究了Nb、Fe共摻雜氧化鈦外延薄膜的磁學及電學性能，預期Nb元素摻雜會增加自由載流子濃度，提高材料磁性能。實驗結果和預期相反，Nb元素的摻雜導致薄膜電阻率增加，磁性減弱。我們採用電子釘扎缺陷-偶極子模型對這一反常現象進行了解釋。 2.對鐵摻雜氧化銦磁性半導體薄膜進行了製備研究。通過最佳化製備條件，獲得了Fe3O4鑲嵌的氧化銦外延膜，這種納米鑲嵌薄膜具有良好的磁、光、電性質，有望在將來的自旋電子器件中得到套用。研究了Sn，Fe共摻的氧化銦磁性半導體外延薄膜，結果表明錫摻雜會明顯影響薄膜的生長機理，摻雜錫後薄膜變得連續平滑，這對器件套用非常重要。另外隨錫含量增加，薄膜帶隙增加，電阻急劇降低。但是薄膜磁性和載流子濃度之間沒有明顯內在聯繫。 3.實現了氧化物磁性材料磁性的可逆調控。我們製備了磁性鋰電池結構，分別採用液態電解液和固態電解質，通過鋰離子的嵌入/脫出，實現了Fe3O4磁矩的可逆調控。這為材料磁性的電場調控提供了有價值的參考。 通過本項目的實施，我們對於氧化物磁性材料中的磁性耦合以及磁性調控機理有了深刻的認識，為我們今後在自旋電子學材料方面的研究奠定了堅實的基礎。