高居里溫度SiC稀磁半導體薄膜的製備、結構與磁性研究

《高居里溫度SiC稀磁半導體薄膜的製備、結構與磁性研究》是依託天津理工大學，由安玉凱擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高居里溫度SiC稀磁半導體薄膜的製備、結構與磁性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：安玉凱
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

稀磁半導體（DMS）兼有電荷和自旋兩種特性, 在光、電、磁功能集成等新型器件方面具有重要的套用，成為自旋電子學這個新領域的研究熱點之一。本項目採用磁控濺射和脈衝雷射沉積技術，製備3d過渡金屬元素TM（TM=Mn、Co、Cr等）摻雜或共同摻雜的SiC基DMS薄膜，探索此類薄膜系統的新現象新規律，實現薄膜居里溫度高於室溫的可控生長。利用XRD、XPS、TEM、SQUID、PPMS、XMCD、XAFS等技術來表征和分析薄膜的微結構與磁、輸運等性能之間的關係，明確TM摻雜離子在SiC薄膜中的局域原子結構、電子自旋狀態以及與其周圍局域載流子（電子或空穴）之間的自旋磁矩相互作用,揭示此類薄膜中的磁性起源和與自旋相關的輸運特性。本項目不僅能夠製備得到性能良好的SiC基DMS材料，也能在探索DMS中自旋相關的輸運性質的物理機制方面做出創新性成果，為新型器件的設計和製備打下基礎。

結題摘要

通過XRD、XPS、XANES、EXAFS、PPMS和SQUID等表征測試手段系統地研究了Mn、Fe、Cr以及Cr、Mn共摻雜SiC基稀磁半導體薄膜的局域結構及自旋相關磁、輸運性能。結果發現：（1）製備態和800℃退火Mn摻雜SiC薄膜中，Mn原子占據3C-SiC晶格中的C位，薄膜具有低的載流子濃度(約1019cm-3)和半導體輸運行為，輸運機制為Mott變程躍遷，顯示載流子具有強的局域特性。1200℃退火後，大多數Mn原子形成了Mn4Si7第二相，薄膜具有金屬-半導體轉變的輸運行為。Mn摻雜SiC薄膜的室溫鐵磁性隨退火溫度的升高而增加。BMP理論模型適合解釋製備態和800℃退火薄膜的鐵磁性來源，而1200℃退火薄膜的鐵磁性來源可考慮為少量C摻入Mn4Si7第二相引起的。（2）對於製備態和800℃退火Fe摻雜SiC薄膜，Fe原子占據3C-SiC的4d間隙位，薄膜表現為半導體輸運行為，隨Fe摻雜濃度的增加，輸運機制由Mott躍遷轉變為Efros躍遷機制，即lnρ分別與(T)-1/4和(T)-1/2保持線性關係。1200℃退火薄膜中，Fe原子以Fe5Si3第二相存在，輸運行為主要為金屬導電特性，只在極低溫度出現半導體導電特性。對於製備態和800℃退火薄膜，間隙Fe作為施主可提供額外電子，束縛磁極子之間的交換耦合作用使得薄膜產生巨觀鐵磁性。1200℃退火薄膜，鐵磁性來源於Fe5Si3第二相。（3）對於製備態和退火態Cr摻雜SiC薄膜，Cr原子占據SiC晶格中的C位和Si位，還有一部分形成Cr團簇。隨Cr摻雜濃度的增加，薄膜的電阻率減小而載流子濃度先減小後增加，5at%Cr摻雜SiC薄膜的導電機制符合Efros變程躍遷模型。對於不同退火溫度的Cr、Mn共摻雜SiC薄膜，Cr、Mn原子均以單質態以及C替位或Si替位態同時存在。隨Mn摻雜濃度的增加，Cr、Mn共摻雜SiC薄膜的載流子濃度增大，電阻率減小，飽和磁化強度則先增大後減小。Cr、Mn的共摻雜使薄膜鐵磁性較單Cr摻雜SiC薄膜明顯增強，顯示了Cr、Mn共摻雜能有效提高磁性能。不同退火溫度的Cr、Mn共摻雜SiC薄膜的鐵磁性均來Cr、Mn替位Si或C原子，磁性大小受束縛磁極子調節。