Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜结构和磁性研究

论文摘要

近年来,稀磁半导体因表现出独特的磁有序现象备受人们关注,这一方面是因为对其所表现出的独特磁性的理解涉及到很多的基础性物理问题,另一方面是这些独特的磁性蕴涵巨大的潜在应用前景。稀磁半导体同时利用载流子的自旋和电荷自由度构造将磁、电集于一体的半导体器件,尤其是铁磁半导体材料的出现带动了半导体自旋电子学的发展,室温铁磁半导体材料的制备,半导体材料中有效的自旋注入,以及自旋在半导体结构中输运和操作已成为目前半导体自旋电子学领域中的热门课题,稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质,这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础。本文用射频磁控溅射法制备了过渡金属Cr掺杂ZnO的稀磁半导体薄膜,在大量工艺探索的基础上,结合样品的结构分析和磁性行为,对样品磁性的起因进行了初步的探讨。首先概述了稀磁半导体的研究进展,重点介绍了ZnO基稀磁半导体的晶体结构、磁有关的效应等。然后简要介绍了稀磁半导体中磁性起因,样品的制备工艺和探索过程,着重介绍了射频磁控溅射。最后,从实验上研究了Cr掺杂ZnO系列样品的结构及其磁化行为。1.借助X-ray分析研究了所制备样品的结构。结果表明,按我们的制备工艺制备出的ZnO薄膜样品具有纤锌矿型的晶体结构,对过渡金属掺杂的样品,在我们所选择的低掺杂浓度范围内,掺杂没有引起ZnO晶体结构的改变,且在仪器灵敏度范围内没有检测到第二相的存在。扫描电镜测试了薄膜生长的表面特性。2.利用物理磁性测量仪对不同掺杂浓度、衬底温度和衬底选择的样品进行对比,讨论了以上因素对薄膜磁性的影响。到目前为止,文献上报道的研究集中在过渡磁性金属掺杂的稀磁半导体薄膜材料方面,不仅获得样品的居里温度低,而且制备的重复性不高。我们在大量工艺探索基础提出的磁控溅射法是一种较好的制备稀磁半导体的方法,并成功用此法获得达到室温的居里温度。稀磁半导体能同时利用载流子的自旋和电荷自由度,已经成为未来自旋电子学器件的关键材料,具有室温铁磁性的ZnO基稀磁半导体的出现必将推动自旋电子学的发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 稀磁半导体的研究概况
• 1.1.1 磁性概述
• 1.1.2 稀磁半导体的概念及分类
• 1.1.3 稀磁半导体的物理性质
• 1.2 ZnO基稀磁半导体概述
• 1.2.1 ZnO半导体的结构及其基本性质
• 1.2.2 ZnO稀磁半导体的研究进展
• 1.3 选题依据及本文的研究方向及内容
• 1.3.1 选题依据
• 1.3.2 研究意义
• 1.3.3 研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 稀磁半导体的磁性起源
• 2.1 稀磁半导体中的交换互作用
• 2.1.1 d-d交换作用
• 2.1.2 sp-d交换作用
• 2.2 稀磁半导体的磁性起源
• 2.2.1 双交换作用
• 2.2.2 RKKY相互作用
• 2.2.3 超交换作用
• 2.3 本章小结
• 第三章 材料的制备
• 3.1 稀磁半导体的制备简介
• 1-xCr_xO薄膜样品的制备'>3.2 Zn_1-xCr_xO薄膜样品的制备
• 3.2.1 射频磁控溅射
• 1-xCr_xO薄膜的制备过程'>3.2.2 Zn_1-xCr_xO薄膜的制备过程
• 3.3 材料表征
• 3.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 3.3.2 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 3.3.3 X射线光电子能谱
• 3.3.4 输运性能的测量
• 3.4 本章小结
• 第四章 测试结果分析
• 4.1 影响磁控溅射沉积ZnO薄膜的主要因素
• 1-xCr_xO薄膜样品的XRD谱分析'>4.2 Zn_1-xCr_xO薄膜样品的XRD谱分析
• 4.2.1 掺杂浓度对薄膜结构的影响
• 4.2.2 不同衬底对薄膜结构的影响
• 4.2.3 衬底温度对薄膜结构的影响
• 1-xCr_xO薄膜样品的表面形貌分析'>4.3 Zn_1-xCr_xO薄膜样品的表面形貌分析
• 4.3.1 掺杂浓度对表面形貌的影响
• 4.3.2 衬底温度对表面形貌的影响
• 1-xCr_xO薄膜样品的磁化行为分析'>4.4 Zn_1-xCr_xO薄膜样品的磁化行为分析
• 1-xCr_xO样品磁化行为的影响'>4.4.1 掺杂浓度对Zn_1-xCr_xO样品磁化行为的影响
• 1-xCr_xO样品磁化行为的影响'>4.4.2 不同衬底对Zn_1-xCr_xO样品磁化行为的影响
• 4.4.3 磁性来源
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 有待研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢