（凝聚态物理专业论文）（znoco）n的制备、结构和物性.pdf

山 东大学博士论文 摘要 目 前研究磁性半导体的主要方法是对半导体进行过渡金属元素掺杂。 这种搀 杂方法可能通过二种不同的机制来实现载流子的自 旋极化:其一是以o离子为 中介， 使得其近邻的搀杂过渡族磁性离子之间形成双交换作用， 而得到可迁移的 自 旋 极 化 的 载 流 子 : 其 二 是 通 过 过 渡 金 属 离 子 的d 电 子 与 母体 半 导 体 的s g 载 流 子之间的强关联相互作用，而使得半导体能带结构中的导带产生自 旋交换劈裂， 形成自 旋多子和自 旋少子，获得自 旋极化载流子。 近来， 在g a m n a s 和t i c o o的 磁性半导体的 取 得了 很大的 进展， 前者居 里点偏低， 后者的掺杂浓度并不高， 而且有越来越多的证据表明 其磁性是c o 颗 粒引起的。 由于理论预言基于z n o的磁性半导体的t c 在3 0 0 k以上并且有很高 的磁矩，世界上也有一些小组在研究它。目 前为止， 这些小 组在基于 z n o的磁 性半导体方面所取得的结果很不相同 甚至互相矛盾。 室 温或室温附 近显示磁 性的 基于 z n o的 磁性半导体也取得了 一些进展， 但是也有一些组甚至没有发现磁性 或者有磁性但只是在非常低的温度下才有。在基于 z n o的磁性半导体中， f u k u m u r a和 i i n等人观察到反常的磁电阻 ， a n d o e t a t 则报道了巨磁光效应， 但是并没有报道其磁性。无论如何， 基于z n o的 磁性半导体并没有得到较高的 磁矩并且took以上基本上没有磁电阻. 我们在衬底水冷下， 通过磁控溅射制备了 纳米尺寸的( z n 0 / c o ) 。 复相结构。 尽管是一层一层周期沉积的， t e m 结果发现: 制备态样品实际上由非常均匀的纳 米晶组成，不呈层状结构. 这证明: 在制备过程中， z n 0 与c o 之间存在非常强 的相互扩散。 由 于在水冷条件下沉积， 每层c 。 和z n o都很薄， 二者很容易互相 渗透， 另一方面， 低温生长是一个热的非平衡过程， 使c 。 在z n o中有更高的溶 解度， 因而能 够提高 膜的 磁矩。 另 外， 低温生长和交替沉积可以 阻止晶粒长大并 且使缺陷增加，比如o缺位等。 它们能使导电 性增加， s - d 交换作用增强， 从而 使居里温度提高.还有，尽管我们的( z n 0 / c o ) 。 的结构和成分在纳米尺度上是均 匀的，但也有可能会由于交替沉积而在亚纳米尺度上存在一些富c 。 区 ( 并不是 纯的c o 团 簇) 和一些富z n o的区域 。 这种亚纳米尺度上的不均匀性也有助于 提高居里温度和磁电阻。 磁性测量表明， 样品都具有磁性。 z n o厚度为0 .5 m n的样品在s k下， 矫顽 山东大学博士论文 力 约为 1 3 0 0 0 e ，在 2 9 0 k ， 磁滞 ( 矫顽力和剩磁) 都变的很小甚至消失，可能 是其本身的软磁性质所决定的。 也有可能是这种微晶 的尺寸比 较小， 是单畴， 在 外磁场下的自 旋的行为是磁矩转动， 使得饱和场大. 但是与低温下的结果相对照， 回 线 仍 然显 示出 明 显的 磁 特征. 磁 矩s k 下高 达7 8 2 e m u / c m 3 ， 相当 于1 .0 5 11 武。 原 子， 2 9 0 k下也 有5 8 1 e m u / c m ， 相当 于0 .7 8 a g / c o a 高 的 磁矩 表 示 有高 的自 旋极化度， 这对自 旋电子学器件的 应用是极为有利的。 据我们所知， 基于 z n o 的磁性半导体通常在温度上升到几k时， 便会成为非磁性 ， 只有少数几个组发现 了 室温以上或室温附近有磁性的情况. 但是他们样品的磁矩与我们的样品相比 却 很小。 样品在相对较小的磁场下从4 .5 k变化到2 9 3 k时就显示出很大的负磁电阻， 比如4 . 8 k时峰值是 3 6 % ， 2 9 3 k下也有 1 1 %a 。 也有人在只有几k的 温度下发 现了z n o基磁性半导体的 大的负磁电 阻或正磁电 阻， 但是在1 0 0 k以 上， 它们往 往就非常小，只有不到1 %.随温度升高， 磁电阻 迅速减小甚至到 i o o k时就消 失了， 3 1 0 2 基的磁性半导体的情况基本类似。 有意思的是: 磁性却能保持到室 温以 上， 这看起来非常奇怪。而我们的( z n 0 / c o ? 。 样品，2 9 3 k下磁电阻仍然高 达 1 1 %。 室温下有大的磁电阻对于自 旋电子学器件是非常重要的。 我们相信负的磁电阻是由于自 旋相关的 跃迁电 导和磁场引 起的a n d e r s o n 局 域长度的变化引起的。电阻和磁电阻对温度都呈指数关系。 mr对温度的变化关 系的实验曲 线以及理论曲 线， 二者符合得相当 好。 在高 温下m r 随温度级慢地变 化， 在低温区 域， 随温度的降低， m r迅速增大。 我们认为它是e f r o s s 变程跃 迁行为。考虑到c o 的 浓度很高，并且在亚 纳米尺度是很不均匀 ，在z n o的能 隙中 应该由 大盘的c 。 的局域态和缺陷态，比如0空 位和z n 的 添隙原子。因 此 与 稀 磁半导体 相比， 样品 应该 有更高的费 米能 级和 更大的n o ( e f ) 。 最终， 库 仑 带隙 会更大， 使e f r o s 、变程 跃 迁过程的 发生， 在很宽的 温度范围内 有r 二 . x p t a m吸关 系 成 立 从光的透过率谱上可以 得到， 随着z n o厚度的 增加， 禁带宽 度变大。 c 。 的 搀入形成相应的杂质带。杂 质带将与z n o的导带发生重叠， 会使有效导带展宽， 造成有效光学禁带变窄。 c o的有效搀杂盈越多， 这种重蚕效应越大，也就使得 有效光学禁带越窄。由于样品制备时c 。 的总量是固定的， 所以z n o层薄的时 山东大 学博一七 论文 候， 重叠效应严重，有效禁带比较窄:随着z n o厚度的增加，有效c 。 的搀杂浓 度变小， 杂质带与导带的重叠变小， 有效禁带宽度随之增大。 测量所得的有效带 隙由 1 2 5 e v变到 3 .9 e v , 在z n o禁带通常数据范围内. p l谱显示样品有良好的发光性能。出现两个发光峰，其主发光峰为 3 6 0 n m ( 3 . 4 4 e v ) 的紫外发光峰， 另一个是4 5 0 n m ( 2 .7 5 e v ) 的蓝光发 光峰。 紫外光 光子能量在 3 .4 4 e v附 近. 要大于从透过率谱上得到的数值， 所以， 紫外发光峰 对应于电子的带间跃迁。 较强的光激发使电子和空穴的准费米能级分别进入导带 和价带， 电子准费米能级以 上的电 子和空穴准费米能级以 下的空穴复合发出 光在 的 能量大 于其禁 带宽度。 兰 光 辐射来自 电 子 从 氧空 位或c o 杂质形成的 浅 施主能 级到价带的跃迁。 退火后，有c 。 颗粒析出，比 饱和磁化强度随z n o厚 度的增加而单调下降， 矫顽力在z n 0厚度和c o 厚 度基本相等时， 出 现一个极值， 约为3 8 k a / m ( 4 7 5 0 e ) 。 磁化强度随温度的变化， z n o为3 n m的样品的磁化强度比z n o为0 . 5 n m时低， 但是， 其变化趋势却几乎完全一致， 那些小的颗粒都在5 0 k 左右完成由 超顺磁性 向 铁磁性的转变，两者的超顺磁颖粒的物理参数基本一致。 退火使z n o的晶化变 好光透过率增加。 随着退火 温度的增加， 发光性变差。 对于纯的z n 0薄膜， 退火都会使其发光性能明显增强。 退火后有大量的c o 颗粒 析出， 这些c 。 纳米颗粒或许会对入射的激发光发生强的吸收， 导致整个样品的 发光性能变差。 总之， 退火处理使得制备态的磁电阻变小， 发光性能变差。 更重要的是:c o 经过退火处理后反而聚集析出成颗粒， 这与工作期望的走向相反。 按目 前的情况， 可以 说后 退灭 处 理的 科 学 意 义 不 大。 关键词; 磁性半导体 z n o i c o 复相结构 磁 特性 输运特性 光学特性 山东大学博士论文 abs t ract t o d a y , t h e m a i n m e t h o d o f s t u d y m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s i s d o p i n g t r a n s i t i o n e l e m e n t s i n t o s e m i c o n d u c t o r s . t h e r e a r e t w o o r i g i n a t i o n s t o r e a l i z e s p i n p o l a r i z a t i o n o f c a r r i e r s . f i r s t i s d o u b l e e x c h a n g e b e t w e e n t r a n s i t i o n i o n s w h i c h m e d i a t e d b y o x i d e . t h e s e c o n d i s t h e s t r o n g i n t e r a c t i o n b e t w e e n d e l e c t r o n s o f t r a n s i t i o n i o n s a n d s p e l e c t r o n s o f m o t h e r s e m i c o n d u c t o r s , w h i c h l e a d s t o t h e s p l i t o f s e m i c o n d u c t o r s c o n d u c t i n g b a n d . t h u s , s p i n m a j o r i t y a n d s p i n m i n o r i t y a r e f o r m e d , a n d c a r r i e r s a r e s p i n p o l a r i z e d . r e c e n t l y , s t i m u l a t e d b y t h e s u c c e s s i n g a m n a s a n d t i c o o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s , z n 0 - b a s e d m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d b y a f e w g r o u p s s i n c e t h e y a r e p r e d i c t e d t o r e a l i z e f e r r o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s w i t h a h i g h t o a b o v e 3 0 0 k a n d a l a r g e m a g n e t i z a t i o n 3 , 4 3 . t o d a t e , t h e r e p o r t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f z n d - b a s e d m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s b y t h e s e g r o u p s a r e d i f f e r e n t a n d e v e n c o n t r a d i c t o r y . t h e ( n e a r o r a b o v e ) r o o m t e m p e r a t u r e f e r r o m a g n e t i s m o f z n o - b a s e d m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s h a s b e e n f o u n d b y s o m e g r o u p s , b u t o t h e r g r o u p s f o u n d n o f e r r o m a g n e t i s m o r f e r r o m a g n e t i s m o n l y a t v e r y l o w t e m p e r a t u r e . f u k u m u r a a n d j i n e t a l o b s e r v e d a n o m a l o u s m a g n e t o r e s i s t a n c e a n d a n d o e t a l r e p o r t e d a h u g e m a g n e t o - o p t i c a l e f f e c t i n z n o - b a s e d m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s d o p e d b y t r a n s i t i o n m e t a l s , b u t n o f e r r o m a g n e t i s m w a s r e p o r t e d . w e p r e p a r e d n a n o - s i z e d ( z n o / c o ) m s a m p l e s , t h e g l a s s s u b s t r a t e i s c o o l e d b y w a t e r . a l t h o u g h t h e s a m p l e s a r e d e p o s i t e d a l t e r n a t e z n o l a y e r s a n d c o l a y e r s , t h e t e m p h o t o g r a p h s h o w s t h a t i t i s u n i f o r m b u t n o t l a y e r e d s t r u c t u r e . t h a t m e a n s t h a t d u r i n g p r e p a r a t i o n z n o a n d c o d i f f u s e d i n t o e a c h o t h e r s t r o n g l y . t h e v e r y t h i n t h i c k n e s s o f c o a n d z n o e n a b l e t h e c o a n d z n o t o i n c o r p o r a t e i n t o e a c h o t h e r s i n c e t h e l a y e r t h i c k n e s s , t h e i n t e r f a c e r o u g h n e s s a n d t h e i n t e r d i f f u s i o n t h i c k n e s s a r e c o m p a r a b l e . o n i v 山东大学博士论文 t h e o t h e r h a n d , t h e l o w t e m p e r a t u r e g r o w t h i s a t h e r m a l n o n e q u i l i b r i u m p r o c e s s a n d a h i g h s o l u b i l i t y o f c o i n z n 0 i s a c h i e v e d , a n d h e n c e i n c r e a s e s t h e m a g n e t i z a t i o n . m o r e o v e r , t h e l o w g r o w t h t e m p e r a t u r e a n d a l t e r n a t i n g d e p o s i t i o n g r e a t l y l i m i t t h e c r y s t a l g r a i n g r o w t h a n d i n c r e a s e t h e d e f e c t s s u c h a s 0 - v a c a n c i e s o r z n i n t e r s t i t i a l s , w h i c h i n c r e a s e t h e c o n d u c t i v i t y a n d e n h a n c e t h e s - d e x c h a n g e i n t e r a c t i o n t o i n c r e a s e t h e c u r i e t e m p e r a t u r e . f u r t h e r m o r e , t h e s t r u c t u r e a n d t h e c o m p o s i t i o n o f t h e ( z n 0 / c o ) w a r e v e r y u n i f o r m i n t h e n a n o m e t e r s c a l e , b u t t h e r e m a y b e c o - r i c h ( n o t p u r e c o m e t a l c l u s t e r s ) a n d z n 0 - r i c h ( n o t p u r e z n 0 c l u s t e r s ) a r e a s i n t h e s u b n a n o m e t e r s c a l e , w h i c h w e r e i n t r o d u c e d b y t h e a l t e r n a t i n g d e p o s i t i o n . t h e i n h o m o g e n e i t y i n t h e s u b n a n o m e t e r s c a l e i s a l s o d e s i r a b l e f o r i m p r o v i n g t h e c u r i e t e m p e r a t u r e a n d m a g n e t o r e s i s t a n c e . m a g n e t i c m e a s u r e m e n t s s h o w t h a t a l l s a m p l e s a r e f e r r o m a g n e t i c . t a k i n g z n 0 i s 0 . 5 n m a s a n e x a m p l e . t h e f e r r o m a g n e t i s m i s c l e a r l y s h o w n b y t h e c o e r c i v i t y , r e m a n e n c e , a n d r e l a t i v e l y l o w s a t u r a t i o n f i e l d . a t 2 9 0 k , t h e h y s t e r e s i s ( c o e r c i v i t y a n d r e m a n e n c e ) b e c o m e s v e r y s m a l l o r d i s a p p e a r s m a y b e d u e t o t h e i n t r i n s i c m a g n e t i c a l l y - s o f t p r o p e r t i e s , b u t t h e l o o p s t i l l s h o w s t h e f e a t u r e s o f f e r r o m a g n e t i s m a s c o m p a r e d w i t h t h e l o o p s a t l o w e r t e m p e r a t u r e . n o t i c i n g m o s t r o o m t e m p e r a t u r e m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s u s u a l l y h a v e s m a l l c o e r c i v i t y , w e t h i n k t h e c u r i e t e m p e r a t u r e o f o u r ( z n 0 / c o ) . s a m p l e s i s a t l e a s t n e a r r o o m t e m p e r a t u r e . m o r e o v e r , t h e m a g n e t i z a t i o n o f t h e ( z n 0 / c o ) . s a m p l e s i s h i g h , u p t o 7 8 2 e m u / c m a t 5 k a n d 5 8 1 e m u / c m a t 2 9 0 k . t h e h i g h h i g h s p i n p o l a r i z a t i o n s p i n t r o n i c s d e v i c e s . a n d i t i s d e s i r a b l e f o r m a g n e t i z a t i o n r e v e a l s t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i n a s” k n o w , t h e z n 0 - b a s e d s e m i c o n d u c t o r s u s u a l l y f o u n d n o n m a g n e t i c u p t o t h e t e m p e r a t u r e o f a f e w k 1 0 - 1 3 , f e r r o m a g n e t i s m ( n e a r o r a b o v e ) r o o m t e m p e r a t u r e w a s f o u n d b y o n l y a g r o u p s . b u t t h e m a g n e t i z a t i o n i n t h e a b o v e c a s e s c o m p a r e d w i t h t h e m a g n e t i z a t i o n o f o u r ( z n 0 / c o ) . s a m p l e s i s v e r y s m a l l a s .w e b e l i e v e t h a t 山东大学博士论文 t h e h i g h m a g n e t i z a t i o n o r i g i n a t e s f r o m t h e h i g h c o m p o s i t i o n o f c o a n d t h e d e s i g n e d u n i q u e s t r u c t u r e o f t h e s a m p l e s . t h e ( z n o / c o ) . s a m p l e s s h o w a l a r g e n e g a t i v e m a g n e t o r e s i s t a n c e a t a r e l a t i v e l y s m a l l f i e l d i n t h e t e m p e r a t u r e r a n g e f r o m 4 . 5 k t o 2 9 3 k , s u c h a s 3 6 % a t 4 . 8 k f o r t h e m r p e a k a n d 1 1 % a t 2 9 3 k , a s s h o w n i n f i g s . 2 ( a ) a n d ( b ) ，a l a r g e n e g a t i v e a n d / o r p o s i t i v e m a g n e t o r e s i s t a n c e a t v e r y l o w t e m p e r a t u r e o f a f e w k w a s a l s o f o u n d i n z n o - b a s e d a n d t i % - b a s e d ( m u c h l e s s t h a n 1 % ) a b o v e 1 0 0 k . i t l o o k s v e r y s t r a n g e t h a t t h e m a g n e t o r e s i s t a n c e i n t h e z n o - b a s e d a n d t i o , b a s e d m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s q u i c k l y d i s a p p e a r s e v e n a t 1 0 0 k b u t t h e f e r r o m a g n e t i s m c a n b e k e p t a t a b o v e r o o m t e m p e r a t u r e . h o w e v e r , f o r o u r ( z n o / c o ) . s a m p l e s , t h e l a r g e m a g n e t o r e s i s t a n c e o f 1 1 % w a s o b s e r v e d a t 2 9 3 k . t h e l a r g e m a g n e t o r e s i s t a n c e a t r o o m t e m p e r a t u r e i s s i g n i f i c a n t f o r t h e m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s t o b e u s e d i n s p i n t r o n i c s d e v i c e s . w e b e l i e v e i t c a n b e e x p l a i n e d a s t h e s p i n - d e p e n d e n t h o p p i n g a n d m a g n e t i c - f i e l d - i n d u c e d c h a n g e i n t h e l o c a l i z a t i o n l e n g t h o f a n d e r s o n l o c a l i z a t i o n . c o n s i d e r i n g t h e h i g h c o c o n c e n t r a t i o n a n d g r e a t i n h o m o g e n e i t y a n d d i s o r d e r i n t h e s u b n a n o m e t e r s c a l e , t h e r e s h o u l d b e a l a r g e q u a n t i t y o f l o c a l i z e d s t a t e s o f c o a n d t h e d e f e c t s s t a t e s s u c h a s 0 v a c a n c i e s a n d z n i n t e r s t i t i a l s w i t h i n t h e e n e r g y g a p o f z n o . t h e r e f o r e , t h e r e s h o u l d b e a h i g h f e r m i l e v e l a n d l a r g e n o ( e f ) a s c o m p a r e d w i t h t h e c a s e o f d i l u t e m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s . a s a r e s u l t , a l a r g e c o u l o m b g a p w i d t h i s e x p e c t e d a n d t h e e f r o s s v a r i a b l e - r a n g e - h o p p i n g i n t h e f o r m o f r o c e x p ( t o / t ) z c a n e x i s t i n a w i d e t e m p e r a t u r e r a n g e . f r o m t h e t r a n s m i t t a n c e o f s p e c t r u m , w e c a n s e e t h a t t h e b a n d g a p i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f z n o s t h i c k n e s s . t h a t c a u s e d b y s t a t e o f d e f e c t s . t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) s p e c t r u m s h o w s t w o p e a k s . t h e m a i n p e a k i s a t 3 6 0 n m ( 3 . 4 4 e v ) ，w h i c h i s u l t r a v i o l e t p e a k . t h e o t h e r i s a t 4 5 0 n m vt 山东大学博士论文 ( 2 . 7 5 e v )， w h i c h i s b l u e p e a k . t h e u l t r a v i o l e t p e a k c o r r e s p o n d s t o i n t r a b a n d t r a n s i t i o n . t h e b l u e r a d i a t i o n c o r r e s p o n d s t o o x i d e v a c a t i o n o r s h a l l o w d o n o r e n e r g y l e v e l o f c o d o p a n t t r a n s i t i o n t o v a l e n c e b a n d . a f t e r a n n e a l e d , s a m p l e s h a v e c o g r a n u l a r s . t h e s a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o n d e c r e a s e d m o n o t o n o u s l y w i t h t h e t h i c k n e s s o f z n 0 i n c r e a s e , w h i l e t h e c o e c i v i t y f o r c e h a s m a x i m u m w h i c h i s 3 8 k a / m ( 4 7 5 0 e ) w h e n t h e t h i c k n e s s o f z n 0 i s 0 . 5 n m . t h e t r a n s m i t t a n c e b e c o m e s b e t t e r . b u t w h e n t h e a n n e a l t o 呻e r a t u r e i n c r e a s e , t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e s b e c o m e s w o r s e . t h a t i s d i f f e r e n t f r o m p u r e z n 0 f i l m s . w e t h i n k t h a t t h e c o g r a n u l a r s m a y a b s o r b t h e i n c i d e n t r a d i a t i o n a n d t h u s i n f e r i o r i t s p h o t o l u m i n e s c e n c e s . a l l t h e r e s u l t s s h o w t h a t i t h a s n o g o o d t o a n n e a l k e y w o r d s : s t r u c t u r e; p r o p e r t i e s m a g n e t i c m a g n e t i c s e m c o n d u c t o r p r o p e r t i e s ;z n 0 / c o i n h o m o g e n e o u s t r a n s p o r t p r o p e r t i e s : o p t i c vu 原 创 性 声 明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下， 独 立进行研究所取得的成果。 除文中己 经注明引用的内容外， 本论文不 包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体， 均己 在文中以明确方式标明。 本人完 全意识到本声明的法律责任由 本人承担。 论文作者签名:日期: 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了 解山东大学有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论 文被查阅和借阅: 本人授权山东大学可以 将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定 ) 论文作者签名:导师签名:日 期: 出东大学麟士论文 第一章前言 第一节磁性半导体概述 巢成电路和数据襻储是今天工监领域最藏凌，迩怒发震最狭的蹲矮技 术。微电子技术正以m o o r e 定律在快遗向前发展。信息处理是通过外加电场 控制电子或空穴载流予的传输过程来实现的，箕信息载体是电予的电荷。而 对于偿愚( 数掇) 的存储，所利用的则是电子嬲自旋，因为其通过由魄子的 自旋所产生的磁矩来保存信息。微电子电路具有速度快，集成度高的优点： 存继器磐鬓| j 吴蠢鐾易失挂熬优点。繇戮，在萤羲熬偿惠技本孛傣惑楚遴鞠信 蚕l 务旋电予技术爱波用蓊豢褥i f l h t t p ：s p i n t r o n i c s ，k o r e a a c k r r e s e a r e hm a p t 1 a m a 山东大学博士论文 2 息储存是分开进行的。事实上，自旋不仅是信息的存储体，也是一种信息的 载体。换句话说，目前的信息技术还没有做到充分利用电子既是电荷信息的 载体，又是自旋信息载体的二重特性如果能够同时利用电子的电荷和自旋 两种信息载体就有可能引导出全新的信息处理和存储模式。也会大大提升 信息处理的能力。 根据现有的知识，预计同时利用电子的自旋和电荷的优越性可能有： 1 ) 由于在自旋电子材料中，可以做到对其载流子的自旋实施控制。因此，自 旋电子材料做成的电子器件是一类不挥发器件( n o nv o l a t i l e ) 。如m r a m 就是不挥发的器件。 2 ) 由于在信息传输和处理过程中，电子的自旋始终保持在极化状态，这就为 同时进行信息处理和存储提供了可能。如果能做到这一点，那么，在现有 的工艺技术和设备条件下，就可在幅度提高运算速度，还可能会提高系统 芯片上有效集成的器件密度。 3 ) 将自旋( 极化) 考虑在内，将出现4 种载流子：正自旋电子。负白旋电子。 正自旋空穴和负自旋空穴。因此可望通过控制载流子的自旋状态来实施量 子计算。 4 ) 自旋极化电子的输运可能会引起一些新的物理现象。例如在通常的二维 电子气中，电子的自旋是随机取向的：如果二维电子气中电子的自旋是极 化的，那么二维电子气将存在自旋相干性。这种相干性很可能会导致一些 新的物理效应。 从图l 可以看出自旋电子学将有着广阔羽应用前景。 从物理上分析，微电子技术利用了半导体材料的带隙，但是由于不存在 强的交换作用，其自旋子带不产生劈裂，没有自旋极化不形成自旋载流子： 磁存储利用了磁性材料中强自旋子带的劈裂所产生的自旋载流子，但是它没 有带隙，能够得到可控的电荷载流子。于是，要实现自旋电子学的目标，首 先要发展出一种具有带隙又有自旋子带劈裂的新物质( 材料) 。最直接的思路 有二条：一将铁磁材料半导体化；二使得半导体材料实现铁磁性化。 山东大学博士论文 从磁性角度，半导体可划分为：禽肖磁元索阵列的磁性半姆体；稀磁半导体 ( 菲磁半导体和磁元素游翡会金) ；黄统豹不雹禽磁离予静半导体，翔溺2 【l 】嚣 图2 从磁性角度，半导体可划分为：( a ) 舍膏磁元素阵列的磁性半导体；稀磁 半导体( j # 磁睾导髂秽氆元素阕熬会佥) ；( c ) 黄缝戆蚕包含磁离子熬半导体 示。对磁性半导体的选择有两个标礁：一个题居里温度要离，通常餮求高于 室遗3 0 0 k ，舞一令爱要骞足够长豹囊麓扩教长度。为了擐索磁性半导侮耪料， 人们早在8 0 年代就做了大纛的工作。当时集中在对i i v i 旗c d t e 半导体进 行翮、 e 莓_ i 生渡金耩蔫予搀杂，疆矮特获褥磁楼褒子臻释? 豹i i 一￥l 羧半 导体( d m s ，又称半磁半导体、s m s c ) 。由于大凝的i i - v i 族稀磁半导体的研究 院较充分的表萌：过渡金属离子搀杂掰褥到的i i v l 族d i d s 为颓磁鞠或反铁 磁棚，面且缀难成功进行n 溅或p 型搀杂，使得这方面的研究在相灏长的时 间量，进展不大。自9 0 年代，日本的o h n o 在g a a s 簿i i i v 族搀杂畦n 离予 2 - 1 9 3 ，获褥器墨瀑发为il 然懿铁磁性，秀次激发怒人们对i i i v 羧积氧化 物等磁性半搏体研究的热情。 第二节疆l v 举导体掺杂磁性离子 i 一v 半导体如g a a s 在当前舱电子技术和光电子器件中己得劐广泛成用，因 此在i i i - - v 半爵体中引入磁性离子，制备磁性举导体将楚意义纛大的。随着低温 分子素终延技拳数发矮，人们鼹决了磁性离子焱斑一v 半导体巾溶群度低豹难 题。 山东大学博士论文 1 9 8 9 年m u n e k a t a 1 2 等人首次成功得到了m n 组分x o 1 8 的i n 。m n 。a s 材 辩，发凌体系孛露颦分豹磁弯事。1 9 9 6 肇，o h n o 等久 3 l ，翻蔷了其考铁磁牲豹 ( g a ，m n ) a s 。 m n c o m p o s i t i o nx 图3 ( i n ，m n ) a s 和( g a ，m n ) a s 的晶格常数随m n 离子浓度的变化图 图3 是典型的稀磁半导体 ( i n ，m n ) a s 帮( g 越貅) 矗s 鹣鑫格 常数随m n 离子浓度的变化图。晶 格常数遵从v e g a r d 定律，缱孙 离子浓度x 豹增加恧线性增加。 说明m n 离子的确与母体形成合 众。 样品的居里温度达到l l o k 。 窝4 楚不同温度- fx = o 0 5 3 孵 g a ，, m n 。a s 的h a l l 电阻( a ) 和方 块电阻( 8 ) 随磁场的交亿。h a l l 憩阻反映了磁化强度i ；i 豹变化， 4 嘲4g a n , m n 。a s ( x = o 0 5 3 ) 的h a l l 电 阻翱方块电黻涟磁场熬交纯 一ov_鹰lsc罨番。尊州毋j 山东大学博士论文 由图a 可以清楚的看到反常h a l l 效应起主导作用。b 中的方块电阻r 。随磁汤 的变化，随着温度的不断升高先是增太，在居照温度达到最大值，温度继续升高， 魄疆城小，具有负的黻电阻。 关于磁燃豹产生规理，人们也做了许多探讨。按照稀磁半导体( 聃s ) 的 宠义，就是一熬分磁性离子蛰钱了非擞蠼鲍基体暇子。但是，目前为此，许多情 况下并不能弄清楚其磁性鬟底是确实由替代蓐形成斡舍金g | 怒的，还蹩由予磁性 杂相形成的藤予醢簇导致的 2 0 】。对应两种情况有嚣种方法来分耩滋性半导体 的磁性来源。第