Fe摻雜In-,2-O-,3-室溫磁性半導(dǎo)體.pdf

1、2000年，Dielt等人在理論上預(yù)言P型ZnO半導(dǎo)體摻雜5﹪的Mn在300K以上具有鐵磁性，這一預(yù)測吸引了研究者們廣泛的注意，于是世界各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)迅速展開了氧化物磁性半導(dǎo)體的研究工作，其中以在ZnO，TiO<,2>，SnO<,2>和In<,2>O<,3>中摻雜過渡金屬元素的研究最為廣泛。下一代多功能器件要求把電子學(xué)、磁學(xué)和光子學(xué)整合在一起，為了達(dá)到這個(gè)目的，尋找具有可調(diào)節(jié)的載流子濃度、高遷移率、高的磁矩以及透明的磁性半導(dǎo)體變得越來越重

2、要。 這里我們報(bào)道了Fe摻雜In<,2>O<,3>磁性半導(dǎo)體，樣品具有室溫鐵磁性，很有希望可以滿足以上的標(biāo)準(zhǔn)。 氧化銦，立方方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)10．12A，通過錫摻雜或引入氧空位可以成為n型寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度3.75eV，是一種應(yīng)用廣泛的透明氧化物半導(dǎo)體材料。在氧化銦中進(jìn)行錫摻雜或引入氧空位可以提高載流子濃度，并且載流子濃度可以通過改變摻雜濃度或者樣品制備時(shí)氧氣壓的大小來加以控制。氧化銦的這些優(yōu)良的性質(zhì)使得它在各

3、個(gè)方面具有很廣泛的應(yīng)用，比如氣敏材料、平板顯示器和光電子器件。相比以ZnO和TiO<,2>為基磁性半導(dǎo)體系統(tǒng)的廣泛研究，以In<,2>O<,3>為基的磁性半導(dǎo)體的研究才剛剛起步，目前只有幾篇文獻(xiàn)報(bào)道了過渡金屬摻雜In<,2>O<,3>的鐵磁性，其中以在In<,2>O<,3>中摻雜Fe最吸引研究者們的注意。這主要時(shí)因?yàn)镕e最常出現(xiàn)的化學(xué)價(jià)和In的化學(xué)價(jià)都是+3價(jià)，這使得Fe原子比較容易摻入到In<,2>O<,3>晶格當(dāng)中。盡管如此，我們?nèi)?/p>

4、然需要對Fe摻雜In<,2>O<,3>薄膜樣品做進(jìn)一步的研究來確定觀測到的樣品的室溫鐵磁性是否是本征的。 用脈沖激光沉積的方法在R-cut藍(lán)寶石襯底上制備了Fe摻雜In<,2>O<,3>的薄膜。 制作薄膜樣品所需要的(In<,1->Fe<,x>)<,2>O<,3>(x=0.01，0.03，0.05，0.07，0.09)靶材用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制得。將純度為99.99﹪的Fe<,2>O<,3>和In<,2>O<,3>粉末按照

5、原子比Fe/(111+Fe)為1﹪、3﹪、5﹪、7﹪和9﹪的比例均勻混合，研磨兩個(gè)小時(shí)，在20Mpa的壓力下壓制成直徑40mm的圓形靶。把圓形靶放入高溫爐中在溫度1300℃下燒結(jié)10個(gè)小時(shí)，燒結(jié)成陶瓷靶。 薄膜樣品采用R-cut藍(lán)寶石襯底，在不同的襯底溫度下用激光脈沖沉積制備而成。薄膜厚度大約260nm。實(shí)驗(yàn)采用的激光為krF激光，波長為248nm，頻率為5Hz。打到靶上的激光能量密度為1.8 J/cm<'2>。實(shí)驗(yàn)過程中生長室

6、的本底壓強(qiáng)為1×10<'-5>Pa。樣品生長過程中通入高純氧，氧氣壓在0～1×10<'-3> Pa之間。靶和樣品之間的距離為10cm。樣品生長結(jié)束后在同樣的氧氣氛下以200C／min的速度自然冷卻。我們用X射線衍射(XRD)來測量分析樣品的結(jié)構(gòu)。樣品出現(xiàn)了兩種不同的結(jié)構(gòu)。第一種樣品出現(xiàn)了幾個(gè)bcc氧化銦晶體結(jié)構(gòu)的衍射峰，而(440)峰的強(qiáng)度明顯高于其它衍射峰，這表明樣品具有較強(qiáng)的(440)取向。第二種樣品只出現(xiàn)了(222)的峰，表明樣品

7、在(222)晶面取向生長。在XRD精度范圍之內(nèi)兩種樣品都沒有發(fā)現(xiàn)對應(yīng)Fe以及其氧化物的雜質(zhì)峰。 x射線光電子能譜(XPS)來確定樣品中Fe元素的化學(xué)價(jià)態(tài)。測量結(jié)果顯示Fe2p<'3/2>的束縛能為711 eV，這表明樣品中不存在Fe金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵贔e金屬中Fe2p<'3/2>的束縛能為707eV。無論是圖像中Fe2p<'3/2>和Fe2p<'1/2>峰的位置還是Fe2p<,3/2>和Fe2p<'1/2>束縛能的差別都表明在

8、我們的樣品中Fe是以離子形式存在的。綜合考慮樣品XRD和XPS的測量結(jié)果，我們認(rèn)為Fe元素通過替代氧化銦晶格中In原子的位置摻入到了晶格之中。 實(shí)驗(yàn)中利用交變梯度磁強(qiáng)計(jì)(AGM)，振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)和超導(dǎo)量子干涉儀(SqUID)對樣品的磁性能進(jìn)行了測量。 為了研究氧空位對Fe-doped In<,2>O<,3>薄膜樣品中磁性的影響，樣品沉積過程中我們在真空室中引入了不同的氧氣壓。從摻雜濃度7﹪，沿著(440)晶面取

9、向生長的樣品的M-H圖像我們可以看到，氧氣壓在小于6.0x10<'-4>Pa的時(shí)候樣品具有明顯的室溫鐵磁性，磁化強(qiáng)度也并非隨著氧氣壓線性的變化。在氧氣壓從0-4.0x10<'-4>Pa之內(nèi)增大時(shí)，樣品的磁矩隨之增長。氧氣壓4.0x10<'-4> Pa下制備的樣品飽和磁矩達(dá)到了2.5μB/Fe。當(dāng)氧氣壓繼續(xù)升高的時(shí)候樣品的鐵磁性開始降低，在氧氣壓8.0×10<'-4>Pa的時(shí)候樣品的鐵磁性基本上消失。 在室溫下測量了制備過程中不充

10、氧的樣品在所加磁場分別平行和垂直于樣品的表面時(shí)的磁滯回線。測量結(jié)果表明樣品在室溫的鐵磁性具有明顯的磁各向異性。垂直膜面方向?yàn)橐状呕S的方向，飽和磁矩為1.35μB/Fe，矯頑場為680Oe。當(dāng)磁場平行于樣品的表面時(shí)，飽和磁矩為1.0μB/Fe，矯頑場為380 Oe。 用SQtJID(300K以下)和VSM(300K以上)測量了樣品的M-T曲線，外加磁場1T，方向平行于膜面。從結(jié)果可以看出溫度從2K到300K變化時(shí)，樣品的飽和磁矩

11、緩慢降低，當(dāng)溫度繼續(xù)增加的時(shí)候，磁矩迅速降低。從M-T曲線估計(jì)樣品的居里溫度高達(dá)927K，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于γ-Fe<,2>O<,3>和Fe<,3>O<,4>的居里溫度。 為了進(jìn)一步研究氧空位對Fe-doped In<,2>O<,3>磁性半導(dǎo)體鐵磁性的影響，我們對已經(jīng)制備的薄膜樣品進(jìn)行了退火處理。樣品在真空中和空氣中交替退火，在真空中退火以產(chǎn)生更多的氧空位，在空氣中退火來降低氧空位的濃度。在稍低于生長溫度(600℃)的情況下長時(shí)間的退

12、火，比如在580℃下退火25小時(shí)，以避免晶體結(jié)構(gòu)有所改變。結(jié)果顯示在氧氣壓2×10<'-4> Pa下制備的樣品交替退火的過程中，其鐵磁性可以可逆的進(jìn)行轉(zhuǎn)變。很明顯，真空中退火可以提高樣品的鐵磁性，而在空氣中退火可以減弱樣品的鐵磁性，飽和磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)一個(gè)可逆的振蕩。當(dāng)外加磁場垂直于樣品表面的時(shí)候，飽和磁化強(qiáng)度在2.12μ<,B>/Fe和3.0 μ<,B>/Fe間可逆震蕩。不僅如此，在反復(fù)的退火過程中，樣品的磁晶各向異性并未消失，易磁化軸仍