Mn掺杂Ⅳ族磁半导体的X射线吸收谱学分析.docx

摘要摘要 摘要 摘要 本论文主要利用同步辐射X射线吸收精细结构谱学(XAFS)技术，结合X 射线衍射(XIm)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱等实验方法联合研究了磁 控溅射共溅射方法制备的Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体薄膜的结构和性能，获得了 Mn掺杂的Si基和Ge基样品中Mn离子的价态、分布和配位环境等结构参数以 及磁学性能。同时利用基于有效单粒子相对论性自恰实空间Green函数方法的 FEFF8理论计算，通过对Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体体系中的Mn原子的典型占 位构建模型，分析了Mn原子在体系中的存在形式与占位情况，明确了Mn掺杂 Si稀磁半导体薄膜中Mn主要是以替位式形式存在、Mn掺杂Ge稀磁半导体中 Mn的存在形式则由掺杂量决定。采用超导量子干涉仪(SQUID)测量Mn掺杂 Si稀磁半导体薄膜的磁学性质，结果表明样品在50K温度下为顺磁性，结合获 得的Mn原子局域结构信息，从微观结构上探讨了样品结构与磁性的关系，从而 为高性能的IV族稀磁半导体的可控制备提供结构和理论研究基础。 为了生长稀磁半导体薄膜，作为主要成员搭建了一台超高真空磁控溅射装 置，其主溅射室(真空度6．6×10印a)装有4只永磁靶，进样室(真空度6．6X 10．5Pa)配有磁力样品传递装置，溅射生长速率为0．3--一3．0纳米／分钟可控，可 实现Fe、Co、Ni等多种磁性金属材料，Cu、Mn、Cr等金属材料以及Ge、Si、 InSb、GaSb等半导体材料的多靶共溅射，样品基片回转速率0～30转／分，样品 加热温度0---，1000。C连续可调。利用该设备，通过改变基片温度、溅射压强、样 品转速及退火温度等工艺参数制备出高质量的Mn掺杂Ⅳ族半导体薄膜。 1．Mn掺杂Si基稀磁半导体薄膜的结构和磁性研究 利用XRD、XAFS、和SQUID等方法研究了Sil批稀磁半导体薄膜的结 构和磁性。XRD结果表明样品中不存在金属Mn团簇或者Si．Mn化合物的物相。 Mn K边的XAFS结果表明对于所有Mn掺杂含量(3．0％，5．0％，8．O％)的样品， Mn原子均已经分散到Si的介质。EXAFS拟合结果表明，Mn原子与最近邻的 Si原子的平均配位键长约为2．35 A，配位数约为4．0，与Mn占据替代位的结构 参数相近。利用FEFF8程序模拟了Mn占据Si晶格替代位、四角间隙位和六角 摘要间隙位等三种最具代表性的理论模型的径向结构函数曲线，通过与实验曲线对 摘要 间隙位等三种最具代表性的理论模型的径向结构函数曲线，通过与实验曲线对 比，明确了Mn在样品中主要以替代位的形式存在。XRD和XAFS结果综合表 明制备的Sil讹稀磁半导体薄膜样品不具有长程有序的结构。此外，XAFS拟 合结果显示Mn．Si第一近邻配位的结构无序度02Mn-Sj(O．008---0．010A2)远大于 晶体Si相应的无序度，表明样品结构存在着一定的扭曲。SQUID测试结果显示 样品在50K温度下呈现顺磁性特征：第一性原理电子结构计算表明由于替位式 Mn掺杂Si基体系中Mn原子的3d轨道在带隙中间形成深能级，无法与Si的3sp 轨道充分杂化，因此基本不能发生稀磁半导体领域中理论所描述的RKKY、双交 换以及铁磁超交换等磁交换作用，导致样品表现出宏观顺磁性。 2．Mn掺杂Ge基稀磁半导体薄膜的结构研究 利用XAFS、XRD、AFM和拉曼光谱等方法研究了Gel吖Mm稀磁半导体薄 膜的形貌和结构特征。AFM结果显示，随着Mn的掺杂量的增加，Gel讹稀 磁半导体薄膜样品表面粗糙度显著增加。XRD结果表明，在Mn含量较低(7．O％) 的样品中，只能观察到对应于多晶Ge的XRD衍射峰，而对Mn含量较高(25．0％、 36．O％)的样品则明显出现相的衍射峰，且Ge3Mn5的比例随着Mn含量的增加 而增加。XAFS结果表明，在Mn的含量较低(7．0％)的样品中，Mn主要以替 代位的形式存在，占75％左右的：在Mn含量较高(25．0％、36．0％)的样品中， 除了-d,部分替位式的．Mn原子以外，大部分Mn原子以GeaMn5化合物的形式 存在。结合拉曼光谱和Ge K边EXAFS谱发现，随着Mn的掺杂含量的增加Ge 的结晶有序性变差，并且从拉曼谱上可以发现在Mn的含量较高的样品中Ge晶 格有明显的膨胀。 关键词： X射线吸收精细结构Sil拈饥Gcl批稀磁半导体磁控溅射XRD SQUID Ⅱ AbstractAbstract Abstract Abstract This thesis presents a comprehensive investigation on the Mn-doped IV group (Ge and Si)diluted magnetic semiconductors(DMSs)prepare