氧化物稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性及其在霍爾器件中的應(yīng)用.pdf

1、自旋電子學(xué)是致力于同時(shí)操控電子的電荷自由度和自旋自由度的新興科學(xué)。在眾多的自旋電子器件候選材料中，由于稀磁半導(dǎo)體具有著較高的居里溫度，因此在近些年引起了人們的廣泛關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件，基于稀磁半導(dǎo)體制備的自旋電子器件，具有更快的處理速度、更高的集成度、更低的功耗等眾多優(yōu)勢(shì)。但是到目前為止，稀磁半導(dǎo)體領(lǐng)域中不論是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究，都存在有許多爭(zhēng)議與亟待解決的科學(xué)問題。因此本文選定傳統(tǒng)氧化物稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性以及氧化物稀磁半導(dǎo)體基

2、顆粒薄膜在霍爾器件上的應(yīng)用進(jìn)行了以下研究：
　　第一，采用磁控反應(yīng)濺射制備了厚度為280nm的Cux(Cu2O)1-x顆粒膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同金屬體積比的顆粒膜中均出現(xiàn)了室溫鐵磁性，成分及光致發(fā)光譜的結(jié)果表明，該體系中的鐵磁性與界面處的Cu空位（VCu）存在緊密的聯(lián)系。
　　第二，為了進(jìn)一步說明Cu/Cu2O界面處的鐵磁性，本文采用磁控濺射及氧氣中退火的方法制備了粒徑約為8～9nm的Cu/Cu2O核殼納米顆粒。Cu/Cu2O

3、核殼納米顆粒具有更大的室溫鐵磁性，體系的飽和磁化強(qiáng)度隨著退火時(shí)間呈現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢(shì)，其中飽和磁化強(qiáng)度的最高值為19.8emu/cc，甚至高于某些磁性元素?fù)诫s的Cu2O體系。通過光致發(fā)光譜的分析，發(fā)現(xiàn)體系中磁性強(qiáng)弱的變化趨勢(shì)與體系中VCu的含量有著密切的關(guān)系。根據(jù)Cu/Cu2O界面的能帶排列，VCu所導(dǎo)致的鐵磁性可以采用局域電荷轉(zhuǎn)移的Stoner模型來理解。同時(shí)，退火過程實(shí)際上是調(diào)控Cu原子在Cu/Cu2O界面處的擴(kuò)散，引起界面

4、處VCu的變化，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)磁性的作用。
　　第三，采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，研究了Cu/Cu2O的界面的穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)、Cu原子的擴(kuò)散勢(shì)壘。結(jié)果表明，只有界面處第二層的VCu才會(huì)導(dǎo)致較大的局域磁矩，而且該局域磁矩主要由最近鄰O的2p軌道和與成鍵的最近鄰的Cu原子3d軌道共同貢獻(xiàn)。由于其雜質(zhì)態(tài)位于費(fèi)米能級(jí)附近，電荷轉(zhuǎn)移使得Stoner判據(jù)得到滿足，導(dǎo)致體系的自旋劈裂。由于反鍵態(tài)的作用，ONN-2p的交換劈裂也使得其最

5、近鄰的Cu原子的3d軌道也產(chǎn)生了交換劈裂。通過對(duì)比不同位置VCu的空間結(jié)構(gòu)與局域態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)只有第二層的VCu會(huì)使得其最近鄰的O原子獲得兩個(gè)懸鍵態(tài)，從而使O原子的2p軌道更加局域，可以使費(fèi)米能級(jí)處具有較大的態(tài)密度。而位置的VCu均無法為其最近鄰的O原子創(chuàng)造足夠多的懸鍵態(tài)，因此體系中未出現(xiàn)明顯磁性。通過過渡態(tài)計(jì)算，研究了Cu在Cu/Cu2O界面之間的擴(kuò)散勢(shì)壘。研究結(jié)果表明，Cu通過界面擴(kuò)散至Cu2O需要跨越1.2eV的能量勢(shì)壘。在實(shí)驗(yàn)條件

6、O2壓強(qiáng)0.2Pa、襯底溫度150℃下，Cu跨越1.2eV的勢(shì)壘并占據(jù)Cu2O的VCu需要40分鐘，因此實(shí)驗(yàn)上可以通過退火過程控制Cu的擴(kuò)散，進(jìn)而調(diào)控Cu/Cu2O的界面磁性。
　　第四，采用離子束濺射的方法制備了Fex(ZnO)1-x顆粒薄膜，并通過調(diào)節(jié)膜厚和成分比例，探索金屬-稀磁半導(dǎo)體顆粒薄膜在霍爾元件上的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)薄膜的厚度由50nm下降至2.8nm時(shí)，F(xiàn)e0.6(ZnO)0.4顆粒薄膜的反常霍爾系數(shù)可以增

7、加至原來的9倍，約為4.27×10-7m3/C，同時(shí)也是相同厚度的純Fe薄膜的12倍。所有樣品中，2.8nm的Fe0.6(ZnO)0.4的納米顆粒薄膜具有最大的室溫霍爾靈敏度（130V/AT），與傳統(tǒng)半導(dǎo)體（GaAs等）的霍爾元件靈敏度相當(dāng)，而且其工作溫區(qū)為10K～300K，遠(yuǎn)大于商用的高靈敏度霍爾傳感器（InSb，260~420K），因此具有較大的應(yīng)用潛力。更重要的是，磁性顆粒膜中普遍存在的超順磁現(xiàn)象并未出現(xiàn)在Fex(ZnO)1-x顆

8、粒薄膜中。這是因?yàn)镕ex(ZnO)1-x顆粒薄膜中的母體材料不是本征的ZnO，而是在制備過程中被Fe摻雜后的稀磁半導(dǎo)體（Fe-ZnO）。具有稀磁半導(dǎo)體特征的Fe-ZnO與Fe顆粒也存在有相互作用，保護(hù)了Fe顆粒室溫磁穩(wěn)定性，因此即使當(dāng)Fex(ZnO)1-x顆粒薄膜接近二維時(shí)，仍然能夠保留較大的室溫鐵磁性。Fex(ZnO)1-x顆粒薄膜的反常霍爾電導(dǎo)率與正常電導(dǎo)率之間指數(shù)關(guān)系為σxy∝σ1.7±0.1xx，驗(yàn)證了多帶理論在高無序度的體系中