Co摻雜MgxZn1-xO薄膜的微結(jié)構(gòu)及磁性研究.pdf

1、伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)已經(jīng)融入了人們生活中的每個(gè)角落。器件是信息技術(shù)的載體，功能優(yōu)異的器件是保障信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)?；仡櫄v史不難發(fā)現(xiàn)，微電子工藝的進(jìn)步促使了集成電路技術(shù)的誕生，而集成電路技術(shù)則是信息技術(shù)革命的根源。隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，元器件尺寸不斷縮減，集成密度急速增大，信息技術(shù)飛速發(fā)展。但是元器件的尺寸不可能無限減小，尤其是現(xiàn)在元器件的尺寸已經(jīng)接近量子相干效應(yīng)設(shè)定的極限。在這種背景下，尋找新材料、新器件、新工藝顯得尤為

2、重要。電子擁有電荷和自旋兩個(gè)自由度。傳統(tǒng)的微電子工藝建立在電子電荷屬性的基礎(chǔ)上，通過電場調(diào)控器件中的電荷控制器件的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲(chǔ)。這種方式只是利用電子的電荷屬性。那么，如果能夠同時(shí)利用電子的電荷和自旋兩個(gè)屬性，那么必定會(huì)使器件的功能得到改善，對(duì)于信息技術(shù)的發(fā)展有重要意義。
　　人們對(duì)于電子自旋的研究與利用促使了一門新的交叉學(xué)科的出現(xiàn)——自旋電子學(xué)。自旋電子學(xué)的研究領(lǐng)域包括了自旋電子器件的研發(fā)，對(duì)未來的科技發(fā)展

3、有著重要的應(yīng)用價(jià)值。在之后的研究中，人們將自旋電子學(xué)應(yīng)用到半導(dǎo)體中產(chǎn)生了半導(dǎo)體自旋電子學(xué)。在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)中，將自旋極化電流注入到半導(dǎo)體中，利用電荷與自旋的相互作用可以實(shí)現(xiàn)新的功能，產(chǎn)生新一代的自旋電子器件。在這類自旋電子器件中，可以操作半導(dǎo)體中電子的自旋或者同時(shí)操作電子的自旋和電荷，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、傳輸和儲(chǔ)存。相比于傳統(tǒng)微電子器件，自旋電子器件有著許多的優(yōu)勢:速度快——改變電子自旋方向比改變電子運(yùn)動(dòng)軌跡更快;功耗低——自旋相互作用的

4、耗能遠(yuǎn)小于電荷相互作用的能耗;非易失性——切斷器件電源后數(shù)據(jù)不丟失;與全金屬的器件相比，基于磁性半導(dǎo)體的自旋電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)放大功能，可以構(gòu)成多種設(shè)備。
　　為了實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的功能一般會(huì)需要在器件中實(shí)現(xiàn)四個(gè)過程:自旋注入、自旋輸運(yùn)、自旋檢測和自旋調(diào)控。在探索自旋電子器件的道路上仍有許多困難，其中一個(gè)難題就是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料中自旋極化電流的注入。為了實(shí)現(xiàn)自旋注入，人們利用鐵磁金屬/半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，將自旋電子從鐵磁金屬中注入到半導(dǎo)

5、體。但是這種方式中鐵磁金屬材料與半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)差異非常大，導(dǎo)致注入效率低。另外一種可行的方式是，直接在半導(dǎo)體中摻雜磁性元素，利用得到的磁性半導(dǎo)體替代鐵磁金屬作為自旋注入源。
　　利用磁性半導(dǎo)體材料作為替代材料具有許多的優(yōu)勢。首先磁性半導(dǎo)體與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料電導(dǎo)匹配度好，有利于提高自旋注入效率。其次磁性半導(dǎo)體與傳統(tǒng)微電子工藝有兼容性，方便新材料的應(yīng)用。適合的磁性半導(dǎo)體材料需要滿足多個(gè)條件:高于室溫的居里溫度（即室溫鐵磁性）、高的飽和

6、磁化強(qiáng)度（高自旋極化率）等等。為了達(dá)到這些條件，人們做出了大量的努力，實(shí)現(xiàn)了室溫下氧化物磁性半導(dǎo)體的鐵磁性，這也同時(shí)激起人們對(duì)于氧化物磁性半導(dǎo)體的研究。
　　研究氧化物鐵磁性半導(dǎo)體對(duì)自旋電子器件的研發(fā)有著重要的價(jià)值。ZnO體系材料本身就是非常好的半導(dǎo)體材料。MgxZn1-xO材料體系是一類非常重要的光電功能材料。它有著許多優(yōu)異的特性，例如帶隙可調(diào)的范圍較大(3.4-7.8eV);材料中鎂離子與鋅離子的化合價(jià)相同，材料中的載流子濃度

7、（影響自旋輸運(yùn)）隨著Mg含量的增加而減小等。利用在MgxZn1-xO材料體系中摻雜過渡金屬Co有機(jī)會(huì)得到優(yōu)秀的磁性半導(dǎo)體材料，為自旋電子器件的研發(fā)提供優(yōu)質(zhì)的素材，同時(shí)可以幫助探索氧化物磁性半導(dǎo)體的工作機(jī)理
　　在本篇論文中，我們使用分子束外延技術(shù)制備了摻雜過渡金屬Co的MgxZn1-xO單晶薄膜，并且通過X射線衍射儀、高分辨透射電鏡等技術(shù)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。同時(shí)，利用交變梯度磁強(qiáng)計(jì)、超導(dǎo)量子干涉儀等技術(shù)對(duì)材料的磁性等進(jìn)行研究。<

8、br>　　主要內(nèi)容有:
　　(1)我們制備了Zn0.85-xMgxCo0.15O(0≤x≤0.3)單晶薄膜材料，并利用XRD、TEM等對(duì)其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。同時(shí)根據(jù)XRD的數(shù)據(jù)利用布拉格定律，最終得出Zn0.85-xMgxCo0.15O薄膜與純的MgxZn1-xO薄膜中帶隙隨著Mg含量依賴關(guān)系吻合度較好。這也意味著可以通過控制樣品Mg含量調(diào)控樣品帶隙，調(diào)節(jié)樣品中的載流子濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品自旋輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控。
　　(2)我們制備