Fe3O4薄膜的制備和低溫物性研究.pdf

1、近二十年來(lái)，為了將磁電子學(xué)應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)
　　中，很多人逐漸把注意力集中到半導(dǎo)體磁電子學(xué)上來(lái)。這門新興學(xué)科的主要優(yōu)點(diǎn)是可以與傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容，從而將凝聚態(tài)物理的兩大分支－半導(dǎo)體物理和磁學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，即在傳統(tǒng)的以電荷為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體上添加自旋自由度，使現(xiàn)在的電子學(xué)器件的功能得到擴(kuò)展，性能獲得改善，提高數(shù)據(jù)處理的速度和集成密度以及降低功耗等，使當(dāng)今已經(jīng)十分成熟的微電子技術(shù)得到擴(kuò)展?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體磁電子

2、學(xué)被認(rèn)為是磁電子學(xué)大規(guī)模實(shí)用化的最現(xiàn)實(shí)途徑和今后發(fā)展的主流方向。本文研究了單晶Si襯底上的Fe3O4薄膜的制備方法及其低溫物理性質(zhì)，將磁電子學(xué)中的半金屬材料和半導(dǎo)體材料結(jié)合在一起，為磁電子學(xué)的實(shí)用化打下基礎(chǔ)。
　　本文利用激光分子束外延(LMBE)設(shè)備成功的在單晶Si(100)和Si(111)襯底上制備了厚度為幾十納米且沒(méi)有雜相的Fe3O4薄膜，發(fā)現(xiàn)薄膜取向與襯底取向有很大關(guān)系。TEM照片顯示樣品呈Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)，

3、而磁性測(cè)量顯示Fe3O4薄膜具有明顯的磁各向異性。在研究Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)的電阻與溫度的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)樣品在低溫下表現(xiàn)出Fe3O4薄膜本身的輸運(yùn)性質(zhì)。但溫度升高后，其電阻卻會(huì)迅速下降，在接近室溫時(shí)出現(xiàn)了從半導(dǎo)體導(dǎo)電性到金屬導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)變，與一般的Fe3O4薄膜有很大不同。參考已有的研究結(jié)果，本文提出了雙電流通路模型來(lái)解釋Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)的輸運(yùn)性質(zhì)。
　　根據(jù)這一模型，我們將Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)的磁電

4、阻分為三個(gè)溫區(qū)來(lái)討論。在第一溫區(qū)內(nèi)，由于溫度較低，電子難以穿過(guò)SiO2絕緣層，電流被限制在Fe3O4薄膜里，樣品表現(xiàn)出Fe3O4薄膜本身的磁電阻；隨著溫度上升到第二溫區(qū)，由于熱激發(fā)，電子有一定幾率穿過(guò)SiO2層，從反型層通路傳導(dǎo)，所以樣品表現(xiàn)出的磁電阻逐漸從Fe3O4薄膜的負(fù)磁電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榉葱蛯拥恼烹娮?，而且在這一溫區(qū)出現(xiàn)了異常大的低場(chǎng)負(fù)磁電阻；到第三溫區(qū)，電流基本上全部從反型層導(dǎo)通，樣品表現(xiàn)出反型層的正磁電阻效應(yīng)，由于反型層的正磁電阻

5、正比于零場(chǎng)電導(dǎo)率，隨著溫度升高，零場(chǎng)電導(dǎo)率下降，樣品的正磁電阻也降低了。
　　最后，本文研究了Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)在不同溫度下的霍耳效應(yīng)，進(jìn)一步證明了雙電流通路模型的正確性，并知道了反型層為空穴載流子導(dǎo)電。考慮到Fe3O4和Si的功函數(shù)不同，會(huì)在SiO2層兩邊界面附近產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，引起能帶彎曲，使Si的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶，從而產(chǎn)生了P型的反型層。我們還研究了Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)在第二溫區(qū)出現(xiàn)異常大的低場(chǎng)磁電阻的原