氧化物鐵磁性半導(dǎo)體電子輸運(yùn)特性的研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是一門以研究自旋相關(guān)的現(xiàn)象和器件為主的新興學(xué)科。自旋注入、自旋輸運(yùn)以及通過電學(xué)或者光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)自旋的檢測(cè)與控制是自旋電子學(xué)研究至關(guān)重要的內(nèi)容。目前，自旋注入半導(dǎo)體遇到的主要的困難是鐵磁金屬與半導(dǎo)體電阻不匹配導(dǎo)致低自旋注入效率，由此引發(fā)了研究者對(duì)磁性半導(dǎo)體注入源濃厚的興趣。但是目前為止高居里溫度、高自旋極化率的磁性半導(dǎo)體材料還亟待開發(fā)。自旋相關(guān)的輸運(yùn)，例如磁電阻、反?；魻栃?yīng)等，一方面研究的相對(duì)還比較少，另一方面不同研究組的報(bào)道

2、結(jié)果各不相同，甚至截然相反?；谝陨显?，我們將集中精力研究我們組最近新發(fā)現(xiàn)的具有高居里溫度和高過渡族元素含量的鐵磁半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)現(xiàn)象，希望能對(duì)自旋相關(guān)的輸運(yùn)有更深刻地認(rèn)識(shí)，能對(duì)自旋的調(diào)控和自旋電子器件的設(shè)計(jì)給出有價(jià)值的建議。我們的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：一、庫(kù)侖相互作用、交換作用和硬帶能共同作用下寬禁帶氧化物鐵磁性半導(dǎo)體中變程躍遷導(dǎo)電的共性與個(gè)性；二、單晶外延稀磁氧化物鐵磁半導(dǎo)體的電子輸運(yùn)和正磁電阻行為；三、氧化物鐵磁半導(dǎo)體

3、納米顆粒中正磁電阻的起源；四、輸運(yùn)特性可用磁場(chǎng)調(diào)控的Ge1-xMnx/Ge磁性半導(dǎo)體二極管。下面是我們所取得的主要進(jìn)展：
　　 1.基于Zn1-xCoxO1-v和Ti1-xCoxO2-v的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們首次提出了自旋依賴的變程躍遷模型，在統(tǒng)一的框架下同時(shí)考慮了電子電荷間的庫(kù)侖相互作用和電子自旋間的交換相互作用對(duì)輸運(yùn)的影響。一方面成功的解釋了實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的低溫電阻lnp與溫度T1/2之間的線性關(guān)系在不同磁場(chǎng)下具有不同斜率和截距的現(xiàn)象

4、；另一方面通過理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合得到了自旋極化率以及交換作用和庫(kù)侖作用相對(duì)強(qiáng)弱的相關(guān)信息。
　　 2.基于對(duì)Zn1-xFexO1-v鐵磁半導(dǎo)體電子輸運(yùn)特性的系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)其低溫導(dǎo)電機(jī)理隨著Fe元素含量的增加從Efros變程躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)橛矌кS遷?？紤]到?jīng)Q定躍遷幾率的勢(shì)壘能量具有可加性，我們通過引入硬帶能對(duì)輸運(yùn)的貢獻(xiàn)進(jìn)一步完善了我們的自旋依賴的變程躍遷理論模型。通過分析輸運(yùn)行為對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系，我們認(rèn)為樣品中硬帶能的起源是非

5、磁的多電子弛豫效應(yīng)。
　　 3.在(In1-xFex)2O3-v鐵磁半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)。(In1-xFex)2O3-v樣品表現(xiàn)出了不同于Zn1-xCoxO1-v、Ti1-xCoxO2-vZn1-xFexO1-v等鐵磁半導(dǎo)體的輸運(yùn)特性：低溫下表現(xiàn)出了無相互作用的Mott變程躍遷(1nρ正比于溫度T-1/4)。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)其電阻率與某些導(dǎo)電不是很好的金屬材料在同一個(gè)量級(jí)，比前面提到的鐵磁半導(dǎo)體小2到3個(gè)量級(jí)。這是因?yàn)镮n2O3

6、很容易實(shí)現(xiàn)n型摻雜，所以(In1-xFex)2O3-v中有很高的載流子濃度。高的載流子濃度導(dǎo)致小的庫(kù)侖屏蔽半徑。當(dāng)?shù)蜏叵萝S遷距離大于屏蔽半徑時(shí)，載流子之間的庫(kù)侖相互作用可以被忽略，從而體現(xiàn)無相互作用的Mott變程躍遷導(dǎo)電。
　　 4.我們首次提出在Al2O3的禁帶中通過摻雜引入雜質(zhì)能級(jí)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁半導(dǎo)體材料。實(shí)驗(yàn)上用磁控濺射儀成功制備了(Al1-xCox)2O3-v鐵磁半導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)在低溫下其導(dǎo)電機(jī)理存在從Efros變程躍遷到

7、硬帶躍遷的轉(zhuǎn)變。我們系統(tǒng)的研究了(Al1-xCox)2O3-v鐵磁半導(dǎo)體和相應(yīng)的Co-Al2O3顆粒膜的電子輸運(yùn)和磁電阻行為的異同。
　　 5.通過一步步的研究我們發(fā)現(xiàn)高過渡族元素含量的氧化物鐵磁半導(dǎo)體中的各種相互作用和電子輸運(yùn)之間存在一個(gè)普遍的規(guī)律：不管是何種寬禁帶氧化物基體，也不管是何種過渡族元素?fù)诫s，只要樣品電阻率非常低時(shí)，導(dǎo)電機(jī)理便是Mott變程躍遷；樣品電阻率在中間范圍時(shí)，導(dǎo)電機(jī)理為Efros變程躍遷；樣品電阻率非常高

8、時(shí)，導(dǎo)電機(jī)理為硬帶躍遷。這表明氧化物鐵磁半導(dǎo)體中的電子輸運(yùn)特性主要由氧空位載流子的濃度決定，這為我們調(diào)控磁性半導(dǎo)體的輸運(yùn)特性指明了方向?？紤]到庫(kù)侖屏蔽長(zhǎng)度、載流子局域長(zhǎng)度以及躍遷距離的相對(duì)大小，硬帶能、庫(kù)侖能、交換能以及關(guān)聯(lián)能對(duì)電子輸運(yùn)的貢獻(xiàn)也相應(yīng)的發(fā)生變化，在自旋依賴的變程躍遷模型框架下可以非常好的理解所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 6.通過研究磁電阻對(duì)磁場(chǎng)和溫度的依賴關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)分子束外延生長(zhǎng)的Co-ZnO單晶樣品中的正磁電阻來源

9、于載流子波函數(shù)的收縮效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上并沒有發(fā)現(xiàn)自旋相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象，這可能是因?yàn)槲覀儤悠分械蜏赜矌кS遷區(qū)躍遷距離比較大，直接的磁相互作用可以被忽略，其它的磁相互作用如塞曼劈裂、靜磁能等比電的相互作用如庫(kù)侖能、硬帶能等小很多，從而宏觀上并沒有體現(xiàn)出自旋相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象。
　　 7.我們報(bào)道并系統(tǒng)研究了Co摻雜的ZnO納米顆粒體系中高達(dá)800％的正磁電阻行為。該低溫磁電阻在低場(chǎng)下隨磁場(chǎng)線性變化，高場(chǎng)下很快趨于飽和。研究表明該正磁電阻源自強(qiáng)磁

10、場(chǎng)下塞曼劈裂效應(yīng)引起的自旋相關(guān)的躍遷路徑的阻塞。另一方面，我們研究了用同樣方法制備的Co摻Cu2O納米顆粒體系中的磁性和輸運(yùn)特性。我們發(fā)現(xiàn)在相同Co元素?fù)诫s含量的情況下，Co摻Cu2O中的磁電阻值僅為Co摻ZnO中磁電阻的1％。我們認(rèn)為這肯能是由于Co摻Cu2O中的p-d交換作用比較弱故而不能導(dǎo)致強(qiáng)的塞曼劈裂效應(yīng)的結(jié)果。
　　 8.我們報(bào)道了由p型Ge1-xMnx磁性半導(dǎo)體和本征Ge(或者微量摻雜的n型Ge)形成的新型單晶Ge1