受主摻雜SnO2基稀磁半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及磁性的研究.pdf

1、隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們已經(jīng)進(jìn)入到信息時(shí)代。器件的小型化和高儲(chǔ)存密度要求信息的處理和存儲(chǔ)能夠同時(shí)進(jìn)行。信息的處理所利用的是電子的電荷屬性，是由半導(dǎo)體材料來(lái)完成的。信息的存儲(chǔ)則是利用電子的自旋屬性，是由磁性材料來(lái)完成的。其中，稀磁半導(dǎo)體兼具電子的電荷和自旋屬性，可以用來(lái)制造處理和儲(chǔ)存信息的電子器件，受到了極大的關(guān)注。SnO2就是其中一種性能優(yōu)良的寬禁帶透明氧化物半導(dǎo)體。然而，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間范圍內(nèi)人們并沒(méi)有將研究中心放在SnO2

2、上。隨著其他氧化物半導(dǎo)體（例如ZnO、In2O3等）發(fā)展進(jìn)入瓶頸期，SnO2慢慢成為研究主流，且有望發(fā)展成為實(shí)用性的新型電子材料。
　　本文利用射頻磁控濺射的方法，在Si（100）襯底和超白玻璃上沉積了Fe摻雜SnO2薄膜和N摻雜SnO2薄膜。基于XRD、XPS、XAFS、SQUID、PL、UV等結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試手段，揭示磁性能的本質(zhì)，并闡述受主摻雜型SnO2薄膜本征室溫鐵磁性的起源。
　?。?）Sn1-xFexO2（x=

3、0,0.023,0.042,0.075）薄膜。Fe摻雜并沒(méi)有破壞SnO2的四方金紅石晶格結(jié)構(gòu)，但是隨著Fe摻雜濃度的增加，薄膜的結(jié)晶性下降。利用XAFS研究Fe的局域結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示在Fe摻雜濃度范圍內(nèi)，沒(méi)有金屬Fe團(tuán)簇或者相關(guān)氧化物生成，所摻雜的Fe原子以Fe2+/Fe3+兩種價(jià)態(tài)共存的形式進(jìn)入到SnO2晶格中替位Sn位置，F(xiàn)e2p的XPS圖譜證明Fe2+/Fe3+是共存的。Feff9.0擬合結(jié)果證明，F(xiàn)e替位Sn的同時(shí)伴隨有氧空位生成

4、以補(bǔ)償電荷的非平衡態(tài)，非對(duì)稱(chēng)的O1s XPS圖譜證明存在氧空位。所有薄膜都表現(xiàn)本征室溫鐵磁性，且飽和磁化強(qiáng)度Ms與Fe的摻雜濃度正相關(guān)。Fe摻雜濃度的增加對(duì)應(yīng)載流子濃度的大幅度下降。當(dāng)Fe摻雜濃度為7.5％時(shí)，薄膜樣品表現(xiàn)為高絕緣態(tài)，說(shuō)明載流子濃度很低，且與飽和磁化強(qiáng)度Ms負(fù)相關(guān)，排除由載流子誘導(dǎo)產(chǎn)生鐵磁性的可能性。氧空位所形成的束縛磁極化子可能對(duì)所檢測(cè)到的室溫鐵磁性起到重要作用。
　　（2）SnO2-xNx（x=0,0.038,

5、0.091,0.130）薄膜。在真空條件下，通過(guò)改變Ar/N2的流量比，制備N(xiāo)摻雜SnO2薄膜。在整個(gè)N摻雜濃度范圍內(nèi)，薄膜樣品都保持四方金紅石結(jié)構(gòu)不變。N1s XPS圖譜證明N以N-3形式存在，并且無(wú)Sn-N鍵生成，O1s XPS圖譜證明晶格中存在氧空位。隨著N摻雜濃度的增加，特征峰的峰位并沒(méi)有發(fā)生大幅度位移，但是氧空位所占比例明顯增加。PL發(fā)光光譜中的紫外-可見(jiàn)發(fā)光峰所對(duì)應(yīng)的是氧缺陷，發(fā)光峰的強(qiáng)度與N摻雜濃度正相關(guān)，證明隨著N摻雜濃