（凝聚态物理专业论文）对feco共掺si薄膜的性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电子既是电荷的负载体，又是自旋的负载体。在传统的微电子学中，电子的 输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制，而它的自旋状态是不予考虑的。自旋 电子学就是一门以研究电子的自旋极化输运特性以及基于这些特性而设计、开发 的新型电子器件为主要内容的- f 交叉学科。 随着科学的发展，半导体中各种自旋极化，如载流子自旋、磁性原子掺杂引 入的自旋、半导体组成元素中原子的核自旋等已引起科学家广泛的重视这些涉 及到半导体材料的自旋研究工作自然就导致了半导体自旋电子学的出现半导 体自旋电子学主要包括两个领域：一是半导体磁电子学，它是将磁性功能结合 进半导体中，如磁性半导体或半导体与磁性材料的复合体另一个领域就是半导 体量子自旋电子学，它主要是指自旋的量子力学特性在半导体中的应用 目前，人们主要研究的是i i 一、i v 一、一v 族化合物基的稀磁半导体， 然而，这些化合物半导体为基的稀磁半导体大多不是立方对称性，利用其制备出 的自旋电子学器件很难与现有的s i 基微电子器件相集成。考虑到与当前半导体 应用中占主体地位的s i 电子器件相兼容，人们一直在进行着对族掺杂的研究。 只是由于过渡族金属元素在s i 中固溶度很低，所以研究进展比较慢。 在自旋电子学领域里，作为高自旋极化电子源的半金属材料也被认为是比较 好的候选材料。m a c h e r n i k o v 等人提出通过c o 电子掺杂进窄带半导体f e s i 中， 可以实现c o 、f e 替换，并且发现f e l 嘱c o x s i 化合物金属绝缘体转变在x = 0 0 2 时出 现。n c h o l um a n y a l a 等人提出，在窄带半导体f e s i 中掺杂c o 可以制成块状半金属 材料，他们发现f e l x c o x s i 有非常大的反常霍尔效应，并且认为这种效应是本征 的，很可能来自于带间结构的影响而不是杂质的扩散，居里温度达到5 3 k 。 我们利用磁控溅射仪采取非热平衡方式制备了两个系列f e c o s i 薄膜样品， 一个系列是利用( f e c o ) 复合靶与s i 靶共溅射制备的。利用x r d 对样品进行结 构测量，结果表明样品是非晶态。利用原子力显微镜a f m 对样品表面形貌进行测 量，结果显示薄膜样品随着( f e c o ) 掺杂浓度的增加，样品的粗糙度也随着增大， ( f e c o ) 含量为2 嘣、4 0 、4 5 、5 0 时，样品租糙度分别是1 8 7 、2 0 3 、2 5 7 、 山东大学硕士学位论文 1 7 1 2 r i m 。在室温下利用a 删对样品进行磁特性测量，测量结果表明( f e c o ) o 4 0 s i o 6 0 显示出微弱铁磁性，制备态下的矫顽力为6 1 7 8 4 0 0 e ；我们把该样品在4 5 0 。下 进行退火处理，退火后该样品的矫顽力为6 1 8 8 3 4 0 e ，退火前后矫顽力大小基本 没有变化，其余样品均显示顺磁性。利用自行搭建的输运综合测量系统测量了室 温下( f e c o ) o 4 0 s t o 6 0 样品的霍尔效应，结果显示该样品没有明显的霍尔效应，我 们认为这是由于( f e c o ) o 4 0 s i o 6 0 弱铁磁性以及高掺杂( f e c o ) 引起的。 第二个系列样品是利用f e 、c o 、s i 三靶按照f e 、c o 配比为2 ：l 和3 ：l 共 溅射制备的。利用x r d 对样品进行结构测量，结果显示样品为非晶。利用原子力 显微镜a f m 对样品表面形貌进行测量，发现f e 、c o 、s i 三靶溅射制备的薄膜样 品比第一个系列薄膜样品形貌表现出更加均匀平整的表面形貌，并且随着f e 、 c o 掺杂浓度的增加，样品的粗糙度减小。利用a g m 对样品进行磁性测量，发现 这些样品在室温下均呈现顺磁性。 关键词：共掺杂；磁性半导体；薄膜 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s a sw ek n o w , e l e c t r o nh a st w oc h a r a c t e r i s t i c s ：c h a r g ea n ds p i i i i nt h et r a d i t i o n a l m i c z o - e l e c t r o n i c s ，t h ee l e c t r o nt r a n s p o r tp r o c e s si so n l yi t se l e c t r i cc h a r g ew h i c hi s c o n t r o l e db yt h ee l e c t r i cf i e l d , a n di t ss p i r ii sn o tt a k e ni n t oa c c o u n t s p i n t r o n i c si so n e t os t u d yt h ee l e c t r o n i ct r a n s p o r tp r o p e r t i e so fs p i n - p o l a r i z e da sw e l la st h o s eb a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g n , d e v e l o p m e n to fn e we l e c t r o n i cd e v i c e st ot h em a i n c o n t e n to fa c r o s s - d i s c i p l i n a r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ei nav a r i e t yo fs e m i c o n d u c t o rs p i n - p o l a r i z e d c 甜i e 岱，s u c ha st h es p i no fc a r r i e r s ，t h es p i nf r o mm a g n e t i cd o p i n ga t o m s ，t h en u c l e a r s p i no fa t o m s 鼬t h es e m i c o n d u c t o re l e m e n t sa n ds oo n ，w h i c hh a v ea t t r a c t e d s c i e n t i s t s e x t e n s i v ea t t e n t i o n t h e s es t u d i e so ft h es p i nn a t u r a l l yl e dt ot h e e m e r g e n c eo fs p i n t r o n i c so fs e m i c o n d u c t o r s p i n t r o n i c so fs e m i c o n d u c t o ri n c l u d e s t w of i e l d s ：o n ei s m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r e l e c t r o n i c s , i n c l u d i n gm a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r so rc o m p l e xo fs e m i c o n d u c t o ra n dm a g n e t i cm a t e r i a l s t h eo t h e ri st h e s e m i c o n d u c t o rq u a n t u ms p me l e c t r o n i c s ，i tm a i n l yr e f e r st ot h eq u a n t u mm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs p i ni ns e m i c o n d u c t o ra p p l i c a t i o n s a tp r e s e n t , t h em a i nr e s e a r c h e so fd i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sf o c u s0 1 1 ，- ，一vc o m p o u n d , h o w e v e r , t h e s ec o m p o u n d sa r cn o tc u b i c s y m m e t r y , i ti sd i f f i c u l tt oe x i s tt h e mw i t hs i - b a s e di n t e g r a t e dm i c r o - e l e c t r o n i c d e v i c e s c o n s i d e r i n gt h e c u r r e n ts t a t u so ft h e a p p l i c a t i o no ft h e d o m i n a n t s i - c o m p a t i b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s ，i t i s e x p e c t e d t o d e v e l o pd i l u t e dm a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r sb yd o p i n gt r a n s i t i o ne l e m e n t si n t og r o u pi v , w h e r e a si ti sl i m i t e db y t h el o ws o l u t i o no f t r a n s i t i o nm e t a le l e m e n ti ns i i nt h ef i e l do fs p i n t r o n i c s ，t h es e m i - m e t a l f i cm a t e r i a lw i t h h i g l l s p i l l 印la r j 函d e l e c t r o n $ o t l r c i sa l s oc o n s i d e r e dab e t t e rc a n d i d a t em a t e r i a l m a c h e m i k o ve ta l p r o p o s e dt h ea d o p t i o n0 f c oi n t of e s in a r r o w - b a n ds e m i c o n d u c t o r , c o u l da c h i e v ec o ， f er e p l a c e m e n ta n df o u n dt h a tc o m p o u n d sf e c o s im e t a l i n s u l a t o rt r a n s i t i o nw a sa tx 暑o 0 2 n c h o l um a n y a l aa n do t h e r sr e p o r tt h ed i s c o v e r y t h a tt h eb u l km e t a l l i c m 山东大学硕士学位论文 m a g n e t sd e r i v e df r o md o p i n gt h e n a r m w - g a pi n s u l a t o rf e s iw i t hc os h a r et h ev e r y h i g h a n o m a l o u sh a l lc o n d u c t a n c eo f ( c a m n ) a s ，w h i l ed i 曲y i n gc u r i et e m p e r a t u r e s 嬲h i g l l 雒5 3i ca n dt h i se f f e c ti si n t r i n s i ca n dl i k e l yt h ei n f l u e n c ef r o mb a n ds t r u c t u r e r a t h e rt h a nt h ep r o l i f e r a t i o no fi m p u r i t i e s i no u rw o r k s , w ep r e p a r e dt w os e r i e so ff e c o s it h i nf i l m so nt h eg l a s ss u b s t r a t e b ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h ef i r s tk i n do fs a m p l e si sm a d eb yc o - d e p o s i t i n g ( f e c o ) 、 s im a t e r i a l s 。t h es t r u c t u r eo f t h e s et h i nf i l m sa r ea m o r p h o u s ，m e a s u r e db yx r d t h e s u r f a c em o r p h o l o g yo ft h es a m p l e sa r eu n i f o r ma n ds m o o t h ，s h o w e db ya f mf i g u r e s ， a n dt h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o no f ( f e c o ) i n c r e a s e s ，t h er o u g h n e s s e so fs a m p l e s i n c r e a s e ，w h e nt h ec o n t e n to fo ：e c o ) i s2 0 、4 0 、4 5 、5 0 ，t h es a m p l er o u g h n e s s i s1 8 7 、2 0 3 、2 5 7 、1 7 1 6 n m ，r e s p e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a t0 ：e c o ) 0 4 s i 0 6s h o w sw e a k f e r r o m a g n e t i s ma tr o o mt e m p e r a t u r em e a s u r e db ya g ma n dt h ec o e r c i v i t yi s 61 7 8 4 0 e ；t h eo t h e rs a m p l e ss h o wp a r a m a g n e t i c s t h eh a l le f f e c to fs a m p l e si s m e a s u r e du s i n gt r a n s p o r tm e a s u r e m e n ts y s t e mb u i l tb yo u r s e l v e sa tl o o mt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh a l le f f e c to fo u rs a m p l ei sn o to b v i o u s w et h i n kt h i sw a s c a u s e db yt h eh i g hc o n c e n t r a t i o no f ( f e c 0 ) a n dt h ew e a km a g n e t i s e mo f ( f e c o ) 0 4 s i 0 6 t h es e c o n dk i n do fs a m p l e sp r e p a r e db yc o - s p u t t e r i n gf e ，c o ，s im a t e r i a l s t h e r e s u l t so fx r dm e a s u r e m e n t sw e r e 嬲s a m e 嬲t h o s eo ft h ef i r s tk i n d o fs a m p l e s t h e y w e r ea l li na m o r p h o u ss t a t e i ti sf o u n dt h a tt h es u r f a c em o r p h o l o g y o ff e ：c o ：s ic 0 - s p u t t e r i n gf i l m ss h o w e dm o r eu n i f o r m l yc o m p a r e dw i t h ( f e c o ) s ic o s p u t e r i n g f i l m s , a n dt h er o u g h n e s so ft h es a m p l er e d u c e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no ff e ：c o t h e m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h es a m p l e sm e a s u r e db ya g m a tl o o mt e m p e r a t u r es h o w e d t h a tt h et h i nf i l m sa 他p a r a m a g n e t i c k e yw o r d s ：c o - p 目前，自旋电子学无论是在基础研究，还是在应用开发方面都为物理学、 材料科学和电子工程学等领域的专家提供了一个能够大显身手的新领域 1 1 1 稀磁半导体分类 稀磁半导体材料( d m s ) 也称半磁半导体，就是在i i 一、一、i i v 、 一v 族化合物中，由磁性过渡族金属离子或稀土金属离子部分替代非磁阳离 子之后所形成的一类半导体材料。d m s 中有两个相互作用的子系统 5 ：一个 是与电性相联系的载流子( 能带电子或空穴) ；另一个是与磁性相联系的磁性 离子。这样在稀磁半导体中就存在着两种自旋一自旋交换作用：磁性离子与载 流子之间的自旋交换作用( s p - d 交换作用) 以及磁性离子本身之间的自旋交换 作用( 如d - d 交换作用) 。d m s 材料同时利用电子的电荷属性和自旋属性，具有 优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光 隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的 应用前景，已经成为材料领域中新的研究热点 6 - 8 。 2 山东大学硕士学位论文 稀磁半导体按照磁性元素的种类可以分为两类 9 ：一磁性过渡金属元 素为基的稀磁半导体( 如f e 基稀磁半导体) ；二磁性稀土金属元素为基的稀 磁半导体( 如e u 基稀磁半导体) 。按照半导体材料来分也可以分为两类：一 化合物半导体为基的稀磁半导体( 如g a b l 基稀磁半导体) ；二单质半导体为 基的稀磁半导体( 如s i 基稀磁半导体) 。 1 1 2 稀磁半导体( d 瞒) 材料磁学机理和物理特性 1 交换作用 磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位置形成稀释磁性半导体， 通过局域自旋磁矩和载流子之间强烈的自旋一自旋交换作用，在外加电场或者 磁场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生异于半导体基质的特 性。自旋一自旋交换相互作用是d m s 材料区别于非磁半导体材料的关键，也是 形成各种磁极化子的主要原因。在d m s 中，交换作用包括类s 导带电子和类p 价带电子同磁性离子的d 电子间的交换作用( s p - d 交换作用) 和磁性离子的d 电 子间的交换作用( d - d 交换作用) c 1 0 。d - d 交换作用一般分为3 类：两空穴、空 穴一电子和两电子。磁性离子的浓度是决定其性质的重要因素，一般情况下， 在相同磁场强度下晶体的磁性离子含量越多( 有一定限度) ，其磁化强度越高。 随着温度t 和组分x 的变化，磁极化子浓度发生变化，导致d m s 材料发生磁相变， 如d m s 在一定条件下可以发生顺磁一自旋玻璃的相变，该相变可以用磁光法拉 第旋转效应明显地观察到 1 1 。 2 巨磁光效应 磁光效应的增强是d m s 材料的又一特性，光偏振面的角度变化( 法拉 第角) 可以反映材料内部d 电子与p 及s 电子之间相互作用的相对强弱。理 论分析表明，d m s 中法拉第旋转角0f 可表示为： 砟= 面厄。而p - a 肘丽h 2 9 d 2 小( 1 ) 在上式中，凡是费尔德常数：工是样品的厚度； 是入射光子的能量； 3 山东大学硕士学位论文 尾是禁带宽度：m 是样品的磁化强度。其中，8 a 的值会随着d m s 类型的 不同及组分浓度的大小而发生改变 1 2 。 稀磁半导体材料中的巨磁光效应包括激子带的巨塞曼分裂、巨法拉第旋 转等。d m s 中可能的电子态跃迁包括：激子跃迁，带间、带内跃迁，与磁性 离子内部能级有关的跃迁，以及与杂质、晶体缺陷有关的跃迁等，它们对法 拉第效应有不同程度的贡献。由于稀磁半导体中s p - d 交换作用导致吸收边和 自由激子能级巨大的塞曼( z e e m a n ) 分裂，比通常的s p 能带理论推断的朗道和 自旋分裂大很多，从而导致巨大的法拉第旋转效应( 法拉第旋转角很大，远大 于对应的非磁化合物半导体，且旋转方向与对应的非磁化合物半导体的旋转 方向相反) ，激子跃迁对巨法拉第效应起到决定性的作用。 3 巨负磁阻效应 普通的非磁性化合物半导体，其电阻随磁场的增加而增大，磁阻总为正， 表现为正磁阻，而d m s 材料则完全不同。对d m s 的磁电阻测量表明，在一定 的载流子浓度范围内( 靠近绝缘体一金属转变点附近) ，低温下，材料在某一磁 场时磁电阻达到最大值，超过最大值则表现出很大的负磁阻效应，电阻随磁 场的增加而急剧下降，并且磁电阻随外加磁场的变化范围可以达到1 个数量 级以上。产生这种巨磁电阻的反常现象是由于磁性离子与载流子之间的自旋 交换作用引起的，s p d 交换作用使得d m s 材料中杂质离化能减小，出现巨大 的负磁阻，电阻率变化可达6 个数量级。绝缘体一金属的转变，本质上也是由 于s p - d 交换作用引起的，可以认为是负磁阻效应的一种特殊情况。 4 反常霍尔效应 霍尔效应是指当电流垂直于外磁场方向流过导体时，在与电流和磁场均 垂直的方向上会出现横向电场，由此导致导体的两侧出现电势差的现象称为 霍尔效应。霍尔效应不仅仅存在于金属中，也存在于半导体和导电流体( 如 等离子体) 中，且半导体的霍尔效应比金属强得多。 在稀磁半导体中会出现反常霍尔效应。反常霍尔效应是由自旋一轨道相互 作用产生的，正比于d m s 材料的磁化强度m 。在外加磁场作用下，d m s 材料中 山东大学颈 学位论文 的霍尔效应可用如下关系式表达： r 删= 鲁b 寺m 其中，凰是正常霍尔效应系数；r s 是反常霍尔效应系数：r s 和表面霍尔 电阻凡拗成正比；即r s 咖凡拗，其中c 是一个与温度无关的常数。在未掺 杂成p 型的一族d m s 材料中，自旋一轨道相互作用可以忽略，磁性离子都 为反铁磁作用，m 很小，与正常霍尔效应相比，反常霍尔效应可以忽略不计。 而对于铁磁性的一y 族嗍s 材料，反常霍尔效应不可以忽略。如( g a ，m n ) a s 载流子( 空穴) 浓度很高，反常霍尔效应占主导地位，其霍尔电阻主要由反常 霍尔项提供。反常霍尔效应反映了铁磁体中载流子的自旋极化，因此在铁磁 性半导体中发现反常霍尔效应是判断本质铁磁属性的有力证据 1 3 。 1 1 3 稀磁半导体( d 璐) 薄膜材料的生长工艺 1 4 、1 5 i 分子束外延( 邶e ) 技术 分子束外延( 衄e ) 技术由于其在原子尺度上精确控制外延膜厚、掺杂和 界面平整度的特点，明显优于液相外延法和气相外延生长法，更有利于生长 高质量d m s 薄膜。采用低温分子束外延( l t 一淞e ) 技术，能够有效的抑制新相 的析出，同时辅助以高能电子衍射仪( r h e e d ) ，监控生长过程中的表面再构 过程，从而对于样品的组分及其性能进行控制 1 6 。l t - m b e 方法的优点在于 可以精确控制计量比，同时引入高浓度磁性离子。其缺点是生长温度低，不能 使用高熔点的源，而且生产规模受限，只限于科学研究。 2 金属有机化学气相沉积m o c v d m o c v d 法利用有机金属热分解进行气相外延生长，可以合成组分按任意比 例组成的人工合成材料，形成厚度精确控制到原子级的薄膜，从而又可以制 成各种薄膜结构型材料。目前，m o c v d 法主要用于制备一及一v 族的稀磁 半导体。如该法生长制备的( g a , m n ) n 薄膜。 3 脉冲激光沉积法 5 山东大学硕 ? 学位论文 脉冲激光沉积( p l d ) 可使多组分物质能够熔化，并沉积在基底上形成化 学配比薄膜。首先，将脉冲激光束聚焦在固体靶材表面上，固体表面大量吸 收电磁辐射导致靶材物质快速蒸发，而蒸发的物质在真空中到达基底并沉 积在上面形成薄膜。通过控制激光脉冲能量与脉冲重复频率等条件可得到不 同厚度的薄膜，甚至可精密调至单原子层厚度的薄膜。与其它溅射技术相比， p l d 方法所用靶的体积小，其重要特点是沉积薄膜保留了靶的化学计量比。p l d 方法较为普遍的应用在氧化物d m s 制备中，生长温度随材料的不同在3 5 0 - 7 5 0 之间变化。较为常见的基片包括蓝宝石、l a a l 0 3 、s r t i 0 3 、s i 0 2 及普通玻 璃。其缺点是利用p l d 制备的d m s 材料，较易形成磁性离子的团簇，从而降低 材料的实用价值。 4 离子注入技术 离子注入( i o ni m p l a n t a t i o n ) 技术是用能量为1 0 0 k e y 量级的离子束入射 到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相 互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、 结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能 该技术具有良好的选择性注入能力，更具有实用价值：但由于注入能量高，会 造成晶格损伤，内外表面难于均匀。通过高温退火可以修复离子注入所造成 的晶格损伤。 对于常规离子注入由于注入的离子经过电场的加速作用而具有一定的 能量，衬底温度较高和退火过程中热动力学因素的影响，使得样品中不可避 免地形成杂相。因此，采用低能离子注入及低衬底温度下注入以抑制新相的 生成，是一个具有研究价值的新方法。 5 溅射沉积工艺 溅射沉积方法包括射频溅射、磁控溅射、反应溅射和粒子束溅射等溅 射是指在真空室中，利用离子轰击靶材，将靶材原子逸出来有序淀积形成厚 度为几纳米至几微米的薄膜 1 7 。根据溅射所需的离子产生方法不同，溅射 有两种方式。- 一种是在真空室中，利用特制的离子源产生离子束并将离子 引入真空室轰击靶表面，使靶材原子逸出并在基片表面沉积，称为离子柬溅 6 山东大学硕士学位论文 射。另一种溅射镀膜是在真空中通入少量惰性气体( 如a r ) ，在靶材( 阴极) 与 衬底( 阳极) 间加上直流或者高频电压时，极间的气体原子被大量电离，两电 极之间产生充放电并形成等离子体，在靠近阴极表面附近形成具有该电位的 等离子体的鞘层，其中，惰性气体离子( 如氩气) 经偏压加速后轰击作为阴极 的靶材，并把部分能量传给靶原子，靶原子之间的联级碰撞使某些表面附近 的靶原子获得向外运动的足够动量而被溅射出来，溅射出来的靶原子在基片 上沉积形成薄膜。溅射沉积具有两个缺点：第一，沉积速率较低：第二，溅射 所需的工作气压较高，这两者的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可能 性提高。但是如果使衬底保持在较低的温度，利用溅射沉积工艺可在非热平 衡态下制备非晶态的d m s 材料。 1 2s i 基磁性半导体的研究历史与现状 关于稀磁半导体，目前人们主要研究的是i 卜、一、一v 族化合物 基的稀磁半导体，这些半导体的母体一般为g a a s 、g a n 、z n o 、z n s 等，磁性元 素一般为过渡族金属元素f e 、c o 、n i 、v 、c r 、m n 等。自d i t e l 等人利用平均 场理论预言了在具有宽禁带的氧化物半导体中通过掺入磁性离子后有望制备 出室温磁性的稀磁半导体以来 1 8 ，人们已在抗磁( d i a m a g n e t i c ) 的t i 0 2 ， z n o ，i n 籼等氧化物中，通过掺杂过渡金属，实现了室温铁磁性。在各种各样 的稀磁半导体研究中，m n 掺一v 族半导体材料，例如g a m n a s 和g a m n n 在理论和 实验上均得到了广泛的研究 1 9 - 2 2 ，人们已经成功制备出居里温度达到室 温的g a m n a s 、g a m n n 稀磁半导体材料。然而，这些化合物半导体为基的稀磁半 导体大多不是立方对称性，利用其制备出的自旋电子学器件很难与现有的s i 基微电子器件相集成 2 3 。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是 从2 0 世纪5 0 年代开始的。直到现在，硅材料仍然是电子信息产业中最主要的 半导体器件材料。为了实现自旋电子学器件与传统集成电路工业有机结合， 族磁性半导体材料的研究是非常必要的。 相对于化合物半导体为基的稀磁半导体( 如g a n 基稀磁半导体) 的研究， 族s i 、g e 基稀磁半导体的研究报道少一些。对于g e 基稀磁半导体材料， 在材料的制备、磁性的研究等方面已经有过一些报道。如y d p a r k 等人在 7 山东大学硕士学位论文 g e 和g a a s 基底上外延生长的m n x g e l x ( 0 0 0 6 x 0 0 3 5 ) 薄膜，在2 5 k 到 1 1 6 k 之间表现出磁有序的相 2 4 。s c h o i 等人制各的f c k g e i x ( x = 5 ) 单晶 在2 3 3 k 时显示磁有序 2 5 。s h 。s o n g 等人制备的f e x g - e 1 x ( x 0 4 ) 无定形 合金薄膜的居里温度达到室温水平 2 6 。r r g a r e e v 等人利用层层沉积法在 g a a s 衬底上外延制备了g e m n f e 薄膜，其居里温度达到3 5 0 k 2 7 。f t s u i 等 人利用m b e 的方法生长了c o 联m n b x g e i “h 薄膜，并且阐述了在高掺杂的情况 下，掺杂两种过渡族金属元素比掺杂一种过渡族金属元素更能稳定化合物的 结构，而且这种相互作用在结构和磁性等方面带来了新的磁输运现象 2 8 。 目前，在过渡族元素掺s i 的磁性半导体研究中，大多数都集中在l i n 掺 杂s i 研究上。如h n a k a y a m a 等人利用外延生长的办法在s i 衬底上生长了 m n x s i l x 薄膜，该样品在大约7 0 k 下显示出反常霍尔效应 2 9 。m b o l d u c 等 人在2 0 0 5 年利用离子注入法生长的m n x s i l x 薄膜，首次报道了在室温下发现 了磁有序现象 3 0 。由于在平衡条件下c o 和m n 等过渡族离子在s i 中的溶 解度非常低，p r b a n d a m 等人 3 1 1 在2 0 0 6 年采用离子注入法在零下2 0 的 低温下生长了c o 和m n 共掺s i 的半导体，这样就可以避免高居里温度的铁磁 性团簇的形成。并且发现在n 型s i 基底上生长的样品表现出室温铁磁性，而 在p 型s i 基底上生长的样品则不具有室温铁磁性。对于m n 掺s i 的报道，其 磁性来源尚不完全清楚，一部分报道称其磁性是由m n 的s i 化合物或 l n 的团 簇形成的，即不是本征磁性。一些实验和理论都表明过渡族金属元素在s i 晶格中容易以间隙位的形式存在。i l n 掺g e 与l i n 掺s i 的主要区别就是l i n 在 g e 晶格里以替代位的形式存在，而m n 在s i 晶格里是以间隙位的形式存在。 以替代位存在的磁性离子( 如m n ) 不容易扩散，相对稳定一些；而以间隙位 形式存在的磁性离子( 如m n ) 因为容易移动，比较容易形成团簇。所以制备 s i 基磁性半导体一个主要的难题，就是如何保证磁性离子在形成团簇前掺进 s i 晶格中。 对于其它过渡族元素轻度掺杂s i ，如f e 掺杂s i ，2 0 0 8 年w f s u 等人 首次利用m b e 方法外延制备了含铁量为4 和7 的4 0 n m 的f e s i 晶体薄膜，该 薄膜在2 6 k 以下发现了反常霍尔效应，参看下图，这表明磁有序在该f e s i 薄膜样品里是存在的 3 2 。 s 山东大学硕士学位论文 1 4 ( 0 e ) r e f 3 2 】h a l lr e s i s t i v i t yv e r s u sa p p l i e dm a g n e t i cf i e l d 吐d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s f o rs a m p l e 在自旋电子学领域里，作为高自旋极化电子源的半金属材料也被认为是 比较好的候选材料。m 丸c h e m i k o v 等人提出通过c o 电子掺杂进窄带半导体 f e s i 中，可以实现c o 、f e 替换，并且发现f e i 嚷c o x s i 化合物金属绝缘体转变在 x = o 0 2 时出现【3 3 】。在更宽范围内掺杂，f e l x c o x s i ( 0 0 5 0 7 ) 在小于5 0 k 时， 出现螺旋磁有序相，与m n s i 相似【3 4 、3 5 。随后y o n o s e 等人利用悬浮区熔 法( t h ef l o a t i n gz o n em e t h o d ) ，将f e 、c o 、s i 制成粉末，以一定的比例放进 杆状模子里，然后将模子放进炉膛加热煅烧制备而成杆状样品。下图是 f c l # 哂i 晶体( 0 0 5 x o 7 ) 磁化曲线图，从图中可以看出x = o 4 时，磁化 最强。作者研究了样品的居里温度，对于各种比例样品螺旋磁有序的相变温 度是不同的，其中c o 浓度在x = 0 4 处居里温度最高，达到5 0 k 以上。他们发现 霍尔传导率正比于有效的自旋轨道作用【3 6 】。 9 曩ev毒 山东大学硕士学位论文 r e f 3 6 】m a g n e t i z a t i o nc u r v e s a t2kf o rt h ef e l - x c o x s ic r y s t a l s ( o 0 5 x 郑伟涛，化学工业出版社，2 0 0 4 1 8 d i t e lt ，o h n oh ，m a t s u k u r ef ，c i b e r tj ，f e r r a n dd2 0 0 0s c i e n c e2 8 7 山东大学硕士学位论文 1 0 1 9 1 9 m a t s u m o t ot ，m u r a k a m im ，s h o n ot ，h a s e g a v at ，f u k u m u r at ，k a w a s a k i t ，a h m e tt ，c h i k y o wt ，k o s h i h a r a ，s ，k o i n u mh ，s h o n ot2 0 0 1s c i e n c e2 9 18 5 4 2 0 w a n gy ，s u nl ，h a ndd 。l i ulf ，h a nrqe ta l2 0 0 6a c t ap h y s s i n 5 5 6 6 5 1 2 1 k u a n gal ，l i uxc ，l uzl ，r e nsk ，l i ucy ，z h a n gfm ，d o uyw2 0 0 5 a c t ap h y s s in 5 42 9 3 4 2 2 l e ehj ，j e o n gsy ，c h ocr ，p a r kch2 0 0 2a p p l p h y s l e t t 8 14 0 2 0 2 3 t i w a r i aa ，b h o s l evm ，r a m a c h a n d r a ns ，s u d h a k a rn ，n a r a y a nj ，b u d a k s ，g u p t aa2 0 0 6a p p l p h y s l e t t 8 81 4 2 5 1i 2 4 y d p a r k ，a t h a n b i c k i ，s c e r w i n ，c s h e l l b e r g ，j m s u l l i v a n ， j e m a t t s o n ，t f a m b r o s e ，a w i1 s o n ，g s p a n o s ，b t j o n k e r ，s c i e n c e 2 9 5 ( 2 0 0 2 ) 6 5 1 2 5 s c h o i ，s c h o n g ，s c h o ，y k i m ，j b k e t t e r s o n ，c u j u n g ， k i l h i e ，b j k i m , y c k i m , j a p p l p h y s 9 3 ( 2 0 0 3 ) 7 6 7 0 2 6 s h s o n g ，s h l i m ，j m a g n m a g n m a t e r 3 0 4 ( 2 0 0 6 ) 6 4 2 7 h b r a a k ，r r g a r e e v ，d e b u r g l e r ，r s c h r e i b e r ，p g r u n b e r g ， c m s c h n e i d e r ，j m a g n m a g n m a t e r 2 8 6 ( 2 0 0 5 ) 4 6 。 2 8 f t s u i ，l h e ，l m 如a t k a c h u k , y s c h u , k n a k a j i m a , a n dt c h i k y o w p h y s r e v l e t t 9 11 7 ( 2 0 0 3 ) 2 9 h n a k a y a m a , h o h t a ，e k u l a t o v ，p h y s i c ab3 0 2 3 0 3 ( 2 0 0 1 ) 4 1 9 3 0 m b o l d u c ，c a w o - a f f o u d a , a s t o l l e n w e r k , m b h u a n g , e gr a l n o s , q a g n e l l o ，v el a b e l l a , p l a y s r e v b7 10 3 3 3 0 2 ( 2 0 0 5 ) 31 】p rb a n d a r u , j p a r k , j s l e e ，y j t a n g , l 。一h c h e r t , a n ds j i ns 八 s o n g ，j i lo b r i e n p h y s r e v l e t t ，8 9 ，11 2 5 0 2 ( 2 0 0 6 ) 【3 2 】w es u , l g o n g ，j l w a n g ，s c h e n , y l f a n ，z 也j i a n gj o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h ( 2 0 0 8 ) 【3 3 】j b e i l l e ，j v o i r o n , a n dm r 0 t h s o l i ds t a t ec o n u n u m4 7 ，3 9 919 8 3 【3 4 】m 八c h c r n i k o v ，l d c g i o r g i e f e l d e r , s p a s c h e n , a d b i a n c h i ，h ro t t j l s a r r a o , z f i s k , a n dd m a n d r u s ，p h y s r e v b5 6 ，13 6 6 19 9 7 5 l 山东大学硕士学位论文 【3 5 】j b