SiC基稀磁半導體材料的制備、結構與磁性研究.pdf

1、稀磁半導體(Diluted Magnetic Semiconductors-DMSs)是通過在傳統(tǒng)半導體中摻入少量過渡金屬元素或稀土元素離子后形成的。近年來,由于DMSs能夠同時應用電子的電荷與自旋屬性,因此受到了人們的廣泛關注。DMSs在磁、磁光和磁電等方面的優(yōu)異性質,使其發(fā)展成為自旋電子器件等領域的理想材料。作為重要的寬帶隙半導體材料之一, SiC具有高熱導率、高臨界擊穿電壓、高飽和漂移速率等優(yōu)異的特性,因此在稀磁半導體材料中具有廣

2、泛的應用前景。不同制備方法制備出的SiC基稀磁半導體,其鐵磁性具有不同的溫度范圍,并且鐵磁性的形成機制還不是很清楚。獲得室溫鐵磁性,是DMSs得以廣泛實際應用的基本前提。
　　最近幾年,在工業(yè)應用和科學研究中電子器件的小型化,使得一維半導體材料比薄膜材料更具有應用前景。納米材料作為光電子器件的基礎材料得到了廣泛研究,并且稀磁半導體納米線兼顧了電子的自旋屬性使得其在納米自旋器件方面具有重要的應用。本文中,我們采用氣-固(VS)生長法

3、制備了Fe摻雜的3C-SiC納米線,并對樣品的結構與磁性進行了表征分析。
　　離子注入技術可以有效的將磁性離子摻入半導體晶格中,并且由于離子注入技術可以進行選定區(qū)域摻雜,因此受到了人們的廣泛關注。本文中,我們分別進行了N離子注入和Cu離子注入6H-SiC單晶,并對樣品進行了表征分析。
　　詳細研究工作介紹如下:
　　(1)利用高純一氧化硅、高純石墨粉、高純碳納米管和高純鐵粉為原料,在適當的壓強、氣流和溫度條件下,制備出

4、未摻雜與 Fe摻雜的SiC納米線。采用X射線衍射儀,X射線光電子能譜儀對納米線進行了物相結構和價鍵價態(tài)分析;利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分析了樣品的形貌、微結構特征;通過綜合物性測試系統(tǒng)對樣品進行了磁性測試分析。研究結果表明制備出的納米線是3C-SiC。納米線的直徑范圍是50-200納米,長度達到幾十微米。結合高分辨透射電子顯微鏡圖譜和選區(qū)電子衍射花樣表明納米線的生長方向是[111],晶格條紋間距大約為0.248nm。磁性測

5、試結果顯示Fe摻雜 SiC納米線具有室溫鐵磁性。我們認為 Fe的摻雜和缺陷共同影響著局域磁矩和聚集磁化。除此以外,由于納米線具有較高的表面體積比,其鐵磁性的產生也可能與未補償自旋和表面各向異性有關。
　　(2)對 n型6H-SiC(0001)單晶片進行室溫160 keV N離子注入,注入劑量為2×1016/cm2和1×1017cm-2。為避免溝道效應,注入時樣品表面法向與離子束方向偏離7o。將注入后的樣品在N2氣氛下850oC快速

6、退火10分鐘便得到N離子注入6H-SiC單晶樣品。通過 X射線衍射儀,原子力顯微鏡,正電子湮沒多普勒展寬譜、壽命譜及超導量子干涉儀等對6H-SiC單晶樣品的結構、形貌、微結構缺陷以及磁學性能進行了研究。測試結果表明6H-SiC單晶樣品離子注入后沒有團簇或者第二相的出現,并且樣品表面變得粗糙。正電子湮沒壽命譜測試結果顯示樣品中主要的缺陷類型是硅單空位。N離子注入6H-SiC單晶樣品的室溫鐵磁性可能是由于樣品中的硅單空位和N替代C原子共同產

7、生的。
　　(3)室溫下對n型6H-SiC(0001)單晶片進行能量200 keV的Cu離子注入,注入劑量為8×1015/cm2。注入時樣品表面法向與離子束方向偏離7o以避免產生溝道效應。樣品在N2氣氛下850oC快速退火15分鐘。X射線衍射儀和X射線光電子能譜儀測試沒有發(fā)現與鐵磁相關的第二相。正電子湮沒壽命譜測試結果表明樣品中主要的缺陷類型是硅單空位,并且缺陷濃度在離子注入后增大。Cu離子注入6H-SiC單晶樣品的室溫鐵磁性可能