鐵摻雜氧化銦薄膜的制備及磁性和輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、微電子學(xué)(Microelectronics)是電子學(xué)的一門(mén)分支學(xué)科，主要是研究電子或離子在固體材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用，并利用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的學(xué)科。微電子學(xué)是以實(shí)現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的的。微電子學(xué)是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的邊緣科學(xué)，其中包括了半導(dǎo)體器件物理，集成電路工藝和集成電路工藝和集成電路及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試等多方面的內(nèi)容；涉及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、材料科學(xué)、電子線路、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、測(cè)試和加工等多個(gè)領(lǐng)域

2、。在傳統(tǒng)微電子學(xué)之中，人們只是簡(jiǎn)單地考慮了電子的電荷特性，并沒(méi)有考慮電子的自旋特性。隨著器件集成化程度的提高，微電子器件出現(xiàn)了一系列新的問(wèn)題，例如器件進(jìn)入納米尺度及由單位能耗上升引起的熱損耗等。同時(shí)，在納米尺度下由于量子限域效應(yīng)起主導(dǎo)作用，電子的能帶理論將不能完全解釋納米尺度下出現(xiàn)的新現(xiàn)象。所以，人們開(kāi)始關(guān)注電子的另一個(gè)特性---自旋，提出研發(fā)一種能同時(shí)利用電子的兩個(gè)特性（電荷性和自旋性）的器件，該類(lèi)器件具有運(yùn)算速度快、尺寸小、能耗低、

3、斷電信息不消失及可用于量子計(jì)算等許多優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)研究領(lǐng)域就是自旋電子學(xué)，是近些年來(lái)迅速發(fā)展的一個(gè)研究方向。這些性能優(yōu)異的自旋電子器件的制備首先需要一種新材料，這種材料要既具有半導(dǎo)體的帶隙又具有磁性材料的自旋子帶劈裂。由此可以看出，要實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)的應(yīng)用，具有室溫鐵磁性和高自旋極化度的鐵磁性半導(dǎo)體材料的制備是非常關(guān)鍵的。上世紀(jì)八十年代末，F(xiàn)ert和Grünberg幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗效應(yīng)(GMR，Giant Magneto-Resista

4、nce)，引發(fā)了磁存儲(chǔ)和磁記錄領(lǐng)域的革命，使九十年代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用獲得了騰飛。從此之后，自旋電子學(xué)成為了科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。
　　 自旋電子學(xué)是一門(mén)結(jié)合磁學(xué)與微電子學(xué)的交叉學(xué)科，以研究電子的自旋極化輸運(yùn)特性以及基于這些特性而設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新的電子器件為主要內(nèi)容，其研究對(duì)象包括電子的自旋極化、自旋相關(guān)散射、自旋弛豫以及與此相關(guān)的性質(zhì)及其應(yīng)用等。
　　 典型的鐵磁性半導(dǎo)體的制備方法是在現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料中摻雜過(guò)渡金屬元素，使摻雜元素以

5、替位摻雜的形式進(jìn)入半導(dǎo)體的晶格，磁性離子之間會(huì)有鐵磁耦合作用，這種作用使半導(dǎo)體材料在原有帶隙的基礎(chǔ)上產(chǎn)生鐵磁性。20世紀(jì)90年代，Ohno等人成功制備了Mn摻雜GaAs，該種材料居里溫度最高只能達(dá)到170K，遠(yuǎn)低于室溫，無(wú)法滿足器件的應(yīng)用需求。2000年，T．Dietl等人基于傳統(tǒng)的Zener模型通過(guò)理論計(jì)算預(yù)言了Mn摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體GaN及Zn0會(huì)有室溫鐵磁性，這一報(bào)道立刻使人們對(duì)于氧化物基鐵磁性半導(dǎo)體的研究充滿了熱情，實(shí)驗(yàn)和理論工

6、作陸續(xù)開(kāi)展起來(lái)。研究最多的是Zn0和Ti02體系，但各個(gè)小組的研究結(jié)果卻各不相同甚至相互矛盾，所以關(guān)于過(guò)渡金屬摻雜的氧化物體系中的鐵磁性是否為本征的問(wèn)題仍然沒(méi)有定論。然而，對(duì)于過(guò)渡金屬摻雜的氧化銦體系而言，大部分文獻(xiàn)報(bào)道了室溫鐵磁性的存在，部分還報(bào)道了反常霍爾效應(yīng)等獨(dú)特性質(zhì)的存在，并且鐵元素在氧化銦基體中的溶解度很高，可以達(dá)到20％。此外，氧化銦還具有優(yōu)良的光電特性及氣敏性質(zhì)，所以我們選擇鐵摻雜氧化銦作為本論文的研究對(duì)象，成功制備了結(jié)構(gòu)

7、優(yōu)良的樣品并探討了樣品的鐵磁性和輸運(yùn)性質(zhì)。
　　 本論文詳細(xì)介紹了利用脈沖激光沉積設(shè)備在YSZ(100)(110)(111)方向的襯底上生長(zhǎng)外延鐵摻雜氧化銦薄膜，并且對(duì)樣品的磁性和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)中使用的靶材為固相反應(yīng)燒結(jié)法制備。樣品制備過(guò)程中，利用RHEED對(duì)樣品表面進(jìn)行了表征，制備完成后，又對(duì)樣品進(jìn)行了XRD和AFM測(cè)量，以此來(lái)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)得到了品質(zhì)良好的外延樣品。此外，利用SQUID測(cè)量了樣品不同溫度下的M-H曲線，發(fā)

8、現(xiàn)樣品具有室溫鐵磁性。同時(shí)，還使用范德堡四端法在SQUID系統(tǒng)中對(duì)樣品的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)的存在，該效應(yīng)在室溫下也存在，這充分說(shuō)明了樣品室溫鐵磁性的本征性。分析數(shù)據(jù)后，得出了樣品的載流子濃度，遷移率圖像和樣品的電阻隨溫度的變化曲線，并對(duì)曲線特征進(jìn)行了說(shuō)明。
　　 綜上所述，本文利用PLD生長(zhǎng)了外延的鐵摻雜氧化銦薄膜，對(duì)樣品進(jìn)行的RHEED，XRD，AFM測(cè)量均證明了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明該材料具有室溫鐵磁性，不同樣