Mn摻雜ZnO外延薄膜的局域結(jié)構(gòu)及稀磁特性研究.pdf

1、近年來，稀磁半導(dǎo)體(DMS)由于在自旋電子學(xué)器件方面的潛在應(yīng)用而引起了廣泛的關(guān)注。Dietl等人的理論計(jì)算預(yù)測，p型摻雜(Zn，Mn)0可能具有室溫鐵磁性。自從該工作發(fā)表以來，Mn摻雜ZnO體系引起了研究人員強(qiáng)烈的興趣，成為稀磁半導(dǎo)體領(lǐng)域重點(diǎn)研究的材料之一。在近兩年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道中，(Zn，Mn)0中觀察到了豐富的磁學(xué)現(xiàn)象，既有低溫鐵磁性和室溫鐵磁性也有順磁、反鐵磁。關(guān)于這些磁學(xué)特性的產(chǎn)生機(jī)理，尤其是鐵磁性究竟是因?yàn)檩d流子與局域磁矩相互

2、作用而產(chǎn)生還是源自與Mn相關(guān)的磁性分離相等根本性的問題都具有很大的爭議。目前唯一普遍認(rèn)同的一點(diǎn)就是，(Zn，Mn)O的磁性對制備方法和生長條件非常敏感。事實(shí)上，制備條件的影響最終都體現(xiàn)在樣品的結(jié)構(gòu)上。不同的制備條件得到不同的樣品結(jié)構(gòu)，從而決定了不同的磁學(xué)特性。因此，最根本問題就是要弄清楚體系的結(jié)構(gòu)，尤其是摻雜Mn原子的局域結(jié)構(gòu)，這對于解釋鐵磁性具有重要意義。 在本論文中，我們主要采用了MnK邊廣延x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)

3、對(Zn，Mn)O樣品進(jìn)行了局域結(jié)構(gòu)研究。作為一種可以對指定元素進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的方法，EXAFS技術(shù)在摻雜原子只占很小一部分的DMS體系研究中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。值得一提的是，在模擬EXAFS實(shí)驗(yàn)曲線時(shí)，我們采用了多相x(k)函數(shù)線性疊加模擬的方法來處理高摻雜以及退火處理的樣品中可能存在多種Mn原子局域環(huán)境配置的情況。而對于只有一種主要局域結(jié)構(gòu)的樣品，仍然采用了傳統(tǒng)的最小二乘法進(jìn)行擬合，得到了配位數(shù)N、鍵長R、無序度σ2。等詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

4、。對于襯底200℃度條件下生長的不同Mn含量系列樣品，EXAFS結(jié)果表明在低Mn含量的樣品中，Mn原子主要位于ZnO晶格中Zn原子的替代位置。當(dāng)№含量提高時(shí)(目標(biāo)摻雜20﹪或更高)，生成了面心立方結(jié)構(gòu)的Mn0團(tuán)簇。此外，我們還發(fā)現(xiàn)如果把襯底溫度設(shè)定為150℃，則在目標(biāo)摻雜20﹪的樣品中可以避免形成分離相。由于此樣品接近于Mn原子在Zn0中的溶解度極限，所以當(dāng)在氧氛圍中400℃退火1小時(shí)后樣品中會(huì)形成大量Mn2O3團(tuán)簇。 除了EX

5、AFS之外，我們還對樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的VSM磁性測量。在錳含量低于20﹪的樣品中，觀察到了居里溫度為45K的鐵磁性。隨著Mn含量繼續(xù)增大，薄膜的磁性從鐵磁性轉(zhuǎn)變成為反鐵磁性。這與結(jié)構(gòu)從替位形式到Mn0團(tuán)簇的轉(zhuǎn)變相互一致。此外，退火前樣品表現(xiàn)出的鐵磁性也會(huì)隨著退火明顯變?nèi)?。根?jù)EXAFS的結(jié)果，我們有理由認(rèn)為這是由于退火導(dǎo)致Mn氧化物分離相的產(chǎn)生，從而損害了樣品的鐵磁性?？傊ㄟ^結(jié)構(gòu)與磁性的平行研究，我們揭示了摻雜Mn原子在(Zn，Mn)