濃磁半導體薄膜的制備、電子結構和磁性研究.pdf

1、自旋電子學的本質是自旋參與信息處理過程，其最理想的材料之一是既有鐵磁性又有半導體性的磁性半導體，但是傳統(tǒng)稀磁半導體的居里溫度很難達到室溫。近年來新型的基于隧穿各向異性磁電阻（TAMR）的反鐵磁自旋電子學（AFM spintronics）逐漸引起人們的關注，其中反鐵磁層的作用不同于傳統(tǒng)自旋器件中的釘扎層，會直接參與自旋相關的導電過程，這使得反鐵磁材料的應用得到了巨大的拓寬；反鐵磁材料具有磁雜散場小、居里溫度高等優(yōu)點，這一發(fā)現(xiàn)也為室溫自旋電

2、子器件提供了思路。反鐵磁半導體，集兩種優(yōu)勢于一身，可以在一種材料中同時實現(xiàn)室溫自旋導電和半導體調控。然而目前關于磁性薄膜材料尤其是反鐵磁薄膜的研究比較少，本論文的研究課題主要是制備和表征高質量的反鐵磁半導體薄膜。利用分子束外延技術（MBE）和反射式高能電子衍射儀（RHEED），我們制備了一系列高質量的濃縮磁性半導體（過渡金屬磁性元素Mn、Fe、V等的硫族化合物）薄膜，然后用掃描隧道顯微鏡（STM）表征其形貌和電子結構，最后用自旋極化ST

3、M測量其表面磁性。本論文的主要研究成果如下：
　　1.利用RHEED原位監(jiān)控下的MBE，在SrTiO3(111)和SrTiO3(100)襯底上制備Mn、V、Fe等磁性元素的硒化物和銻化物。通過優(yōu)化襯底溫度和束流速率，制備出了高質量的MnTe、VSe、FeTe、FeSe薄膜。進一步，利用STM形貌的表征，結合RHEED的晶格結果，基本確定了MnTe、VSe薄膜的晶格結構為NiAs型，并在此基礎上通過掃描隧道譜（STS）測量了其表面電

4、子結構的基本特征。另外，研究了Fe-Se體系和Fe-Te體系各種結構的薄膜生長，經(jīng)過優(yōu)化襯底、生長參數(shù)制備了不同厚度的高質量六角FeSe（FeTe）和四方FeSe（FeTe）薄膜。這一系列的薄膜制備工作，有助于完善濃縮磁性半導體薄膜的研究。
　　2.采用STM研究了四方 FeSe和六角 FeSe薄膜的原子結構和電子結構。確認了SrTiO3(111)襯底上生長的六角FeSe薄膜為NiAs結構，其表面擁有豐富的電子重構（如2×2、2×

5、1），這可能與生長過程中受到的晶格擠壓有關；通過STS發(fā)現(xiàn)六角FeSe具有良好的半導體性，能隙約為0.45eV；自旋極化STM磁性表征，采用鐵磁針尖發(fā)現(xiàn)了明確的磁滯回線，并發(fā)現(xiàn)了明顯的面內非線性反鐵磁超周期，而沒有明顯的面外磁信號。通過面內正負磁場磁信號對比，以及矢量運算得出了面內磁結構呈近似的Néel反鐵磁。第一性原理計算也得出六角 FeSe在這種反鐵磁結構下更加穩(wěn)定，態(tài)密度計算結果也與實驗相吻合。六角 FeSe薄膜作為反鐵磁半導體，

6、這一工作對于反鐵磁自旋電子學具有重要意義。
　　3.采用STM研究了四方和六角FeTe薄膜的原子結構、電子結構。六角FeTe在襯底SrTiO3(001)上呈島狀生長的NiAs結構，不同的島常常具有不同的臺階高度和晶格取向。四方FeTe在襯底SrTiO3(001)上呈層狀生長的PbO結構，從STS上發(fā)現(xiàn)其費米面上有一個約15meV的特征gap，但并不超導。經(jīng)過高溫退火得到了表面有Te缺陷的四方FeTe，然后利用自旋極化 STM研究其