ZnO基磁性半導體和多鐵性氧化物異質(zhì)結構的外延制備與物性研究.pdf

1、電子同時具有電荷和自旋兩種自由度。傳統(tǒng)的微電子學主要研究電子作為電荷載體在固體材料中的運動規(guī)律及其應用。微電子技術是發(fā)展最快的技術之一，是現(xiàn)代信息技術的基礎。各種新型高性能器件的不斷涌現(xiàn)，使電子信息產(chǎn)業(yè)乃至整個世界發(fā)生了深刻變革。然而，隨著集成化程度的提高和器件尺寸的不斷縮小，工藝極限和量子限制效應的影響逐漸顯著。于是，人們開始關注電子的另一內(nèi)稟屬性---自旋，自旋電子學應運而生，并引發(fā)了信息技術領域的革命，磁盤存儲技術和磁敏傳感器技術

2、取得了飛速發(fā)展。與傳統(tǒng)的半導體器件相比，自旋電子學器件具有速度快、能耗低、非易失等優(yōu)點。
　　 隨著自旋電子學的進一步發(fā)展和新型材料的不斷涌現(xiàn)，對電子自旋自由度調(diào)控的方式逐漸多樣化，主要可分為:磁場調(diào)控，電場調(diào)控，光調(diào)控等。多場調(diào)控的需求，使人們對具有多功能特性的材料體系表現(xiàn)出極大的興趣，比如磁性和半導體特性結合的磁性半導體材料，鐵磁和鐵電（或鐵彈）結合的多鐵性材料等。在本論文中，我們選擇了磁性半導體材料和多鐵性材料這兩類不同的

3、多功能材料體系，開展了自旋電子學相關的研究。
　　 電子自旋可以通過磁場直接調(diào)控，其中巨磁電阻效應已經(jīng)在硬盤磁讀頭、磁性傳感器等方面得到應用。基于隧穿磁電阻效應的器件將在磁隨機存儲器、自旋晶體管等方面有重要的應用前景。磁性半導體材料用于隧穿磁電阻器件，使器件不但具有非易失性、非破壞性、壽命長等特點，還易與傳統(tǒng)半導體器件集成。Mn摻雜GaAs是研究最多且相對成熟的磁性半導體體系，但由于其居里溫度(191K)遠遠低于室溫而無法實行工

4、業(yè)應用。ZnO是第三代寬禁帶半導體，Co摻雜ZnO的居里溫度高于室溫，是最有潛力的磁性半導體材料。本論文通過優(yōu)化工藝條件，利用分子束外延技術制備了具有室溫鐵磁性的高品質(zhì)(Zn,Co)O薄膜，結合半導體光刻技術，成功制備了完全外延的(Zn,Co)O/(Zn,Mg)O/(Zn,Co)O磁性隧道結，并且在5K1.8T磁場下觀察到了85.6％的正磁電阻，這是目前在ZnO基磁性隧道結中報道的最大的隧穿磁電阻。其巨大的隧穿磁電阻是(Zn，Co)O/

5、(Zn，Mg)O界面處自旋反轉(zhuǎn)散射的抑制和sp-d交換相互作用導致的導帶電子自旋劈裂共同作用的結果。隧道結的結電阻與T3成線性關系，表明其隧穿機制為通過勢壘層中2個局域態(tài)的直接非彈性躍遷。
　　 電場調(diào)控磁矩和電子自旋的途徑之一是通過磁和鐵電序參量相互耦合的多鐵性材料體系。多鐵性材料不但同時具有鐵磁性（或反鐵磁）和鐵電性，還具有鐵磁—鐵電序參量相互耦合的磁電耦合效應，使其同時體現(xiàn)鐵磁性和鐵電性材料的優(yōu)點，有望實現(xiàn)鐵磁-鐵電高密度

6、多態(tài)存儲器。利用鐵電的快速寫入特性和鐵磁的快速讀出特性，有望在電場調(diào)控的快速讀和寫的磁性存儲器中得到應用。雖然多鐵性材料受到了人們的極大關注，但是對于多鐵性材料的樣品制備、物理性能和磁電耦合機理的研究仍然處于初級階段。自然界中的單相多鐵性材料比較稀少，BiFeO3(BFO)是目前唯一在室溫下具有鐵電性和反鐵磁性的多鐵性材料。從實際應用出發(fā)，還可以利用鐵磁—鐵電（壓電、鐵彈）構建復合多鐵性材料。本論文研究了BFO單晶薄膜外延的工藝條件，以

7、及應力與外延BFO薄膜豐富的晶體結構、鐵電性和磁性的關聯(lián)相互作用。研究了基于無鉛壓電薄膜的xCoFe2O4(CFO)/(1-x)K0.5Na0.5NbO3(KNN)多鐵性異質(zhì)結構的磁介電效應。
　　 由于BFO薄膜的合成窗口較窄，常伴有Bi2O3，Bi2Fe4O9，F(xiàn)e2O3等雜相，嚴重影響了對其本征性質(zhì)的研究。本論文通過對生長工藝的的探索和優(yōu)化，利用氧等離子體輔助的分子束外延技術在STO(001)、STO(111)以及斜切的S

8、TO單晶襯底成功制備了高質(zhì)量的BFO薄膜，系統(tǒng)研究了其結構、漏電流、磁性、鐵電性和壓電性等。優(yōu)化的主要生長參數(shù)為:氧氣壓～10-6mbar，Bi和Fe的束流比7∶1，襯底溫度:430-450℃。
　　 對于TiO2終止面的STO(001)襯底，當厚度為50nm以下時，BFO是完全應變的四方相，其與STO基片之間的外延關系為:(001)[100]BFO//(001)[100]STO。當BFO薄膜的厚度大于80nm時，除了c/a較小

9、的R-like相(c/a～1.04)外，還發(fā)現(xiàn)了少量c/a較大的T-like相（c/a～1.2）。BFO具有不規(guī)則的電疇結構，在10V電壓下可以實現(xiàn)電疇的翻轉(zhuǎn)。BFO薄膜具有較小的漏電流，當電場為-100kV/cm時，BFO/STO(001)的漏電流密度為3.4×104A/cm2，并在Pt/BFO/Nb-STO三明治結構中發(fā)現(xiàn)了雙極性的電致電阻效應。
　　 BFO在STO(111)襯底上為三維島狀生長。研究表明BFO/STO(1

10、11)為菱方畸變的鈣鈦礦結構，其結構隨薄膜厚度變化不明顯。BFO/STO(111)為均勻的單疇結構。與BFO/STO(001)相比，BFO/STO(111)具有更小的漏電流，當電場為-100kV/cm時，BFO/STO(111)的漏電流密度為4.5×10-6A/cm2。且介電常數(shù)隨頻率的變化更為緩慢，介電損耗也更小。這歸因于BFO/STO(111)中更少的缺陷（如氧空位、鉍空位等）。
　　 在斜切STO(001)襯底上，外延的B

11、FO薄膜均為單斜MA結構，BFO的晶格常數(shù)隨厚度稍有變化，但變化微乎其微。斜切面上的BFO具有比BFO/STO(001)更小的漏電流密度，電流密為2.81×10-7A/cm2@100kV/cm，且BFO只有兩種極化取向。在c方向的超結構，可以歸結于氧八面體的旋轉(zhuǎn)。同時氧八面體的旋轉(zhuǎn)也導致Fe的磁矩的偏轉(zhuǎn)，從而使得斜切襯底上的BFO薄膜具有微弱的室溫鐵磁性。
　　 利用射頻磁控濺射技術制備了無鉛壓電KNN薄膜，研究了制備工藝和退火