gesi基稀磁半导体薄膜的结构及磁性分析-structure and magnetic analysis of gesi - based thin magnetic semiconductor films.docx

学位论文原创性声明本人所提交的学位论文《Ge/Si基稀磁半导体薄膜的结构及磁性研究》是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者：指导教师确认：年月日年月日学位论文版权使用授权书本论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印或其它复制手段保存、汇编学位论文。论文作者：指导教师确认：年月日年月日一引言1.1稀磁半导体的概述基于稀释磁性半导体（DMSs）的自旋电子学是当前材料科学最有前途、最具挑战性和最令人感兴趣的学科之一。在半导体领域中，稀磁半导体材料是能够提供有效自旋极化载流子的候选者之一[1-3]，同时，稀磁半导体材料还可以通过调控电场等条件来控制其磁性能。为了能够制备出半导体性质和磁性集于一体的具有室温铁磁性的DMSs 材料，许多研究人员都致力于研究其内在的物理机制[4]。DMSs作为一种新型的半导体材料，同时将凝聚态物理中的两大分支：半导体和磁性体结合为一体，而引起众多研究者的高度关注。所谓稀释磁性半导体是指在非磁性半导体（Ⅲ-Ⅴ族，Ⅱ-Ⅵ族，Ⅳ族）中掺入一定浓度的过渡族金属离子或稀土离子之后形成的一类新型的半导体材料。由于磁性离子的替代，使这类新型材料中存在有磁极子的局域磁矩与载流子之间的相互作用，产生许多新颖的特性，引起人们的广泛关注[5,6,7]。对于过渡族磁性元素掺杂的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族稀释磁性半导体来说，其磁性产生机制主要有：半导体中类s 导带电子和类p 价带电子与掺杂磁性离子的d 电子间的自旋交换作用（s, p-d 交换作用）；磁性离子的d 电子间的自旋交换作用（d-d 交换作用）。然而， Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族稀释磁性半导体的磁性机制也不能一概而论。Chakarvorty等人[8]用磁圆二色性测量了Mn 掺杂的GaMnAs 薄膜中，铁磁性的样品中存在带边自旋劈裂，而顺磁性样品中不存在。2009年，Ando[9]对Chakarvorty等人的结果表示反对，认为该结论与DMS概念不符合[10,11]；Chakarvorty等人立刻对此做出了反应[12]，强调Ⅲ-Mn-Ⅴ族稀释磁性半导体模型不能完全照搬Ⅱ-Mn-Ⅵ族的模型，Mn 掺杂Ⅱ-Ⅵ体系中局域磁矩与电子带间的(s, p)- d 交换作用不能完全套用到Ⅲ-Mn-Ⅴ体系，要区别对待。由于这类新型材料具有很多的特殊性质，比如磁性离子局域磁矩和能带电子之间存在强的自旋-自旋交换作用，磁性离子间的反铁磁性相互作用导致顺磁、自旋玻璃转变和反铁磁性以及磁性离子间的铁磁性相互作用导致顺磁和铁磁性等等，由此可见DMSs 材料有着很好的应用前景，可以被广泛应用于自旋电子器件中。与传统半导体相比，自旋电子器件具有以下优势：速度快，体积小，能耗低，非易失性等等。因此，许多科学家预言：稀释磁性半导体材料将会创造未来更加绚丽多彩的数字新生活。1.2Ⅳ族基稀磁半导体的研究概述关于DMSs的最初研究对象是用分子束外延（MolecularBeamEpitaxy）方法生长的GaMnAs薄膜[4]，其居里温度达～150 K。这是典型的DMSs 模型，它不仅成功实现了掺杂磁性元素有效分布于半导体中，还改变母体的半导体性质[13]。但是，由于Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族元素掺杂的半导体与现有的Si技术不兼容，并且价格比较昂贵，因此这类稀磁半导体的应用受到了极大的限制。在这种情况下，过渡族元素掺杂Ⅳ族基半导体的研究优势逐渐显现出来，因为其与目前的集成电路技术相兼容。2002年Park等人[14]在实验上用分子束外延(MBE)方法制备了Mn掺杂Ge基半导体的MnxGe1-x 薄膜，其居里温度随着Mn掺杂浓度的增加而线性提高，从25K 增大到116 K。随后，许多科研小组报道了Ge:Mn薄膜具有高的铁磁居里温度[15-17]，同时用稀释磁性半导体的理论解释了其磁性起源问题[18]。在利用分子束外延方法生长（MBE）的薄膜中，过渡族掺杂元素能否均匀稀释到Ge母体中，不仅依赖于MBE生长过程中的基底温度，还受薄膜生长速度的影响。Li等人[19]在基底温度85℃下用MBE生长的Mn掺杂Ge母体的铁磁性MnxGe1-x薄膜，居里温度达296 K，但是，该铁磁性来源于Mn5Ge3沉积物。Ahlers等人[20]在70℃下用MBE生长的Ge1-xMnx薄膜中存在纳米尺寸的沉积物Mn5Ge3，并且随着基底温度的降低这些沉积物的体积减小、数量减少。Bougeard等人[21]报道了只有在基底温度低于60℃，G