（凝聚态物理专业论文）sic中空位缺陷的自旋态与自旋调控的理论研究.pdf

一螂嬲 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。除文中已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，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：遂f 巩务 e t 论文作者签名：煌! ! ：! 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版， 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e p 、缩e p 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：越导师签啦日期：趔 山尔人学f ! i j 学位论义 l jj 东人掌f 哦i 学位论文 目录 1 1 自旋电子学简介。5 1 2 磁性半导体简介5 1 3 磁性半导体研究现状7 1 4s i c 基磁性半导体概述1 0 1 4 1s i c 半导体的基本性质1 0 1 4 2s i c 基磁性半导体的研究1 2 1 5 本文研究的问题1 8 参考文献。19 第二章模拟软件理论基础和程序介绍2 5 2 1 密度泛函理论2 5 2 1 1 多粒子体系的薛定谔方程2 5 2 1 2h a t t r e e f o c k 方程2 6 2 1 3h o h e n b e r g k o h n 定理2 8 2 1 4k o h n s h a m 方程2 8 2 1 5 交换关联泛函3 0 2 1 6 赝势法和全电子法31 2 1 7 平面波方法3 2 2 2c a s t e p 程序包介绍3 4 2 3c a s t e p 软件的使用3 5 参考文献3 7 第三章3 c s i c 半导中s i 空位的电子结构和磁特性3 9 3 1 对3 c - s i c 本征材料的软件模拟计算3 9 3 23 c s i c 中的s i 空位与铁磁性4 0 山东人学f 砚i j 学位论文 3 2 l 计算体系与参数一4 l 3 2 2 计算结果和讨论一4 2 3 3n 掺杂会刚石中空位的电子结构和磁特性4 6 3 3 1 计算体系和参数4 6 3 3 2 计算结果和分析4 6 3 4n 原子对空位电荷态和自旋态的调控5 0 3 4 l 计算前的理论分析5 0 3 4 2 结算结果分析5 2 3 5 本章小结5 3 参考文献。5 4 第四章a l 掺杂4 h s i c 的电子结构和磁性5 7 4 14 h s i c 晶体结构和计算参数5 7 4 2 计算结果和分析5 8 4 2 1 体系磁矩的来源分析5 8 4 2 2v s i a 1 s i 复合缺陷的磁特性和电子结构5 9 4 2 3v s i a l s i 的复合缺陷的耦合6 4 4 3 本章小结6 4 附：自旋玻璃( s p i ng l a s s s g ) 6 5 参考文献6 6 第五章3 c s i c 中n v 缺陷的电子结构6 7 5 1n v s i 缺陷的结构6 7 5 2 计算结果6 8 5 2 l 中性的氮空位缺陷，m v ) o 6 8 5 2 2 负一价的氮空位缺陷，( n v ) 卜6 9 5 2 3 ( n v ) 1 缺陷的耦合7 1 5 3c a s t e p 和s i e s t a 计算结果的比较7 1 5 4 本章小结7 3 参考文献7 4 第六章总结。7 7 l j j 尔人学坝i j 学位论文 6 1 本论文的主要内容和结果7 7 6 2 本论文的创新点7 8 6 3 展望7 9 附录群论在杂化轨道理论中的应用8 0 参考文献：8 9 i l 堑谢9 1 攻读硕士学位期间撰写的学术论文。9 2 山东人学帧i j 学位论文 l “4 ；人坝卜f 1 ，i 仑史 摘要 以研究和控制电子的荷电特。陀及其输运特性为主要内容的微电子学，使人类 进入了信息时代。在传统微电子学之中，电子只是被当作电荷的载体，它的自旋 特性一直未被引起重视。二十世纪八十年代木，巨磁电阻效应( g m r ，g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ) 的发现引发了磁存储和磁记录领域的革命，其重要的应用前景 极大地激发了人们对磁性材料输运的兴趣，并在此基础上逐渐形成了一门以研 究、利用和控制自旋极化的电子输运过程为核心的新兴学科：自旋电子学 ( s p i n t r o n i c s ) 。铁磁性半导体是自旋电子学领域的关键材料，作为一种具有丰富 物理内涵和重要应用前景的新型电子材料，磁性半导体己成为自旋电子学这个新 领域的研究热点。磁性半导体通常是通过掺杂过渡族金属元素聊如v ，c r ，m n ， f e ，c o ，n i 等进入i i i v 族、i i - v i 族和i v 族化合物或单质，如i n a s ，g a a s ，z n o ， t i 0 2 ，z n t e ，g e ，s i 等得到的。早期研究中铁磁性半导体材料的居里温度非常低， 一般在1 0k 以下，这极大的限制了铁磁性半导体材料的实际应用。于是寻找具有 高居里温度的磁性半导体材料成为自旋电子学的研究重点之一。上世纪9 0 年代， 首先在i i i v 族半导体材料( 如g a a s ) 的研究中取得了巨大的进展，但其居里温度仍 低于室温。之后，对于以氧化物为代表的i i v i 族材料和以碳化硅( s i c ) 为代表的 i v 族材料的研究也相继展开。碳化硅是一种i v i v 族的半导体材料，与当前主 流的半导体材料硅材料具有相似的电子结构，在制作工艺也相互兼容。但是，碳 化硅中过渡金属的掺杂浓度低，容易出现相分离。磁化强度和居里温度的提高受 到了限制。 本论文从量子力学第一性原理出发结合群论的分析方法，系统研究了碳化硅 中空位缺陷的自旋极化、缺陷之间的磁祸合机制及缺陷的电荷态对自旋极化的调 控作用。为揭示非掺杂( u n d o p e d ) 碳化硅的磁矩起源提供了理论依据，同时也为 碳化硅铁磁半导体材料提供新的思路。 本论文主要的研究结果如下： ( 1 ) 立方碳化硅( 3 c s i c ) 中的阳离子空位( v s i ) 具有高，低自旋极化的电 子态，不同价念具有不同的自旋极化和自旋耦合方式。1 i f t 的硅空位( v s i ) 。具有 s = 3 2 的自旋念，且空位之间倾向形成自旋反平行的排列( 反铁磁) ；而2 价的硅 山东人学坝j j 学f 扛论文 空化( v s i ) 。2 则具有s = l 的白旋念，倾向形成白旋甲行的排列( 铁磁) 。可以通过控 制碳化硅中n 型掺杂的浓度来调控其中( v s i ) 的电荷念，进而调控其自旋极化和 自旋耦合。以氮原子掺杂为例，当n ：v s i _ l ：1 时，v s i 处于1 价态，并具有 s = 3 2 的自旋和反平行的自旋排列；当n ：v s i - 2 ：1 时，v s i 处于2 价念，并具 有s = l 的自旋和平行的自旋排列。这为在3 c s i c 中实现铁磁性提供了新的思路。 ( 2 ) 理想的4 h - s i c ( 不含空位缺陷) 中a l 原子替代s i 原子的掺杂( p 型掺杂) 并 不会引起缺陷态电子的自旋极化。但是，当其中存在v s i 缺陷时，a l 原子掺杂 改变了v s i 电荷态，诱发了v s i 自旋极化，v s i 磁矩的大小与v s i 和掺杂a l 原子 的相对位置有关。这解释了实验上发现的a l 掺杂4 h s i c 的自旋玻璃铁磁态的起 源。 ( 3 ) 首次研究了3 c s i c q h 氮原子和硅空位的组合( n v s ic e n t e r ) 的电子结构和 自旋极化和自旋耦合。从理论上预言：3 c s i c 中的( n v s i ) d 缺陷具有与金刚石 中( n v ) j 缺陷相似的电子结构，因此，有希望利用( n v s i ) 1 在3 c s i c 实现固体 量子比特。 关键词： 自旋电子学；磁性半导体；碳化硅；阳离子空位；第一性原理计算；群论；电子 结构 2 山东人学坝i ：学位论义 a b s t r a c t m i c r o e l e c t r o n i c sb a s e do ne l e c t r o n i c c h a r g e sa n dt r a n s p o r t a t i o nh a sg r e a t l y p r o m o t e dt h ea d v a n c e m e n to fs o c i e t ya n db r o u g h tp e o p l ei n t oi n f o r m a t i o ne r a h o w e v e r , i nc o n v e n t i o n a lm i c r o e l e c t r o n i c s ，w eo n l yt a k ea d v a n t a g eo ft h ec h a r g e p r o p e r t yo ft h ee l e c t r o n ，w h i l et h es p i nd e g r e eo ff r e e d o mo ft h ee l e c t r o ni sn e g l e c t e d u n t i l19 8 0 st h ed i s c o v e r yo fg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c eh a dr e v o l u t i o n i z e da p p l i c a t i o n s i nm a g n e t i cr e c o r d i n ga n dm e m o r y t h u s ，s p i n d e p e n d e n te l e c t r i c a l t r a n s p o r tw a s i n s p i r e db e c a u s eo fi t sh u g ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n a n dt h i sl a u n c h e dt h en e wf i e l do f s p i ne l e c t r o n i c s 一s p i n t r o n i c s ，w h i c hi sc e n t e r e do nt h es p i no fe l e c t r o n si n c l u d i n g t h e i rg e n e r a t i o n ，t r a n s p o r ta n dd e t e c t i o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s ( m s ) h a v ea t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nb e c a u s eo f t h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si n s p i n t r o n i c sd e v i c e s f e r r o m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o ri s o n eo ft h ek e ym a t e r i a l so fs p i n t r o n i c s m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sa r e u s u a l l y s y n t h e s i z e db yd o p i n gt r a n s i t i o n a lm e t a le l e m e n t ss u c ha sv c r , m n ，f e ，c o ，a n dn i ， i n t oi i i vi i - v i ，a n di vg r o u pc o m p o u n d ss u c ha si n a s ，g a a s ，z n o ，t i 0 2 ，s n 0 2 ， z n t e ，e t c i nt h ee a r l yr e s e a r c h ，t h ec u r i et e m p e r a t u r eo ff 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 si sm o s t l yl o w e rt h a n10k ，w h i c hl i m i t si t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s m u c he f f o r th a sb e e nd e v o t e dt os e a r c hf o rh i g hc u r i et e m p e r a t u r ef 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 i n19 9 0 s ，t h ec u r i et e m p e r a t u r eo fg a l x m n x a sm a t e r i a l sr e a c h e su p t o17 0k s u b s e q u e n t l y , al o to fr e s u l t so ni i - v ic o m p o u n d s ( c o n c e n t r a t e do no x i d e ) a n dg r o u pi vm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sw e r er e p o r t e dr a p i d l y t h e g r o u p i vs i c s e m i c o n d u c t o rh a ss i m i l a re l e c t r o n i cs t r u c t u r ew i t hs i l i c o n ，a n di sc o m p a t i b l ew i t ht h e c u r r e n ts i l i c o nt e c h n o l o g y h o w e v e r , t h ec o n c e n t r a t i o no ft r a n s i t i o nm e t a l sd o p e di n s i ci sa l w a y sv e r yl o wd u et op h a s e s e p a r a t i o n i nt h i st h e s i s ，w ep r e f o r m e df i r s t p r i n c i p l e sc a l c u l a t i o n sc o m b i n e dw i t hg r o u p t h e o r yt os t u d yt h es p i n p o l a r i z a t i o no fs i l i c o nv a c a n c yd e f e c t si ns i l i c o nc a r b i d ea t d i f f e r e n tc h a r g es t a t e sa n dm a g n e t i cc o u p l i n gb e t w e e nt h e m o u rr e s u l t sr e v e a lt h e 3 o r i g i n a t i o no fl o c a lm a g n e t i cm o m e n t si n u n d o p e ds i cm a t e r i a l sa n do p e n a p r o m i s i n gr o u t et oa c h i e v er o o mt e m p e r a t u r ef e r r o m a g n e t i s mi ns i cs e m i c o n d u c t o r t h et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) w ep r e d i c t e dt h a tt h es i l i c o nv a c a n c yd e f e c t ( v s i ) i nc u b i cs i l i c o nc a r b i d e c r y s t a l ( 3 c s i c ) p o s s e s sh i g h s p i ns t a t e sw i t hs p i nsd e p e n d i n go nt h ec h a r g es t a t e s o ft h i sd e f e c t t h ev s id e f e c t sa t ic h a r g es t a t e s ( v s 0 。1h a v es = 3 2a n dp r e f e rt o i n t e r a c ti na na n t i f e r r o m a g n e t i cw a y f o rt h ev s id e f e c t sa t 2c h a r g es t a t e s ( v s h o w e v e r , t h en e ts p i no fe a c hd e f e c ti ss = i ，a n dl o n g - r a n gf e r r o m a g n e t i co r d e r i n gi s e n e r g e t i c a l l yf a v o r a b l e t h ev a c a n c yc h a r g es t a t e s ，a sw e l la st h es p i ns t a t e s ，c a nb e m o d u l a t e db ya d j u s t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f n - t y p ed o p i n g ，e g n i t r o g e ni m p u r i t i e s ( 2 ) w er e v e a l e df o rt h ef i r s tt i m et h er o l eo fa 1i m p u r i t i e si nt h em a g n e t i s mo f 4 h s i cc r y s t a l o u rc a l c u l a t i o n ss h o wt h a tf o rt h e4 h s i cf r e ef r o mv a c a n c y d e f e c t s ， t h es u b s t i t u t i o no fs ia t o m sw i t ha la t o m sc a n n o ti n d u c es p i n p o l a r i z a t i o no ft h e d e f e c ts t a t e s ，a n dt h u sh a sn oc o n t r i b u t i o nt om a g n e t i s m f o rt h e4 h - s i cc o n t a i n i n g v s id e f e c t s ，h o w e v e r , t h ed o p e da 1a t o m sm o d i f yt h ec h a r g es t a t e so fv s id e f e c t sa n d t r i g g e rs p i n - p o l a r i z a t i o no fd e f e c ts t a t e s t h el o c a lm a g n e t i cm o m e n t so ft h ev s i d e f e c t sa r es e n s i t i v et ot h ed o p i n gs i t e t h i si sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l f i n d i n g so fm a g n e t i s mi na i - d o p e d4 h s i c ( 3 ) w ei n v e s t i g a t e dt h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r eo ft h en i t r o g e n - s i l i c o n v a c a n c y c o m p l e xf n v s ic e n t e r ) i n3 c - s i cc r y s t a l w es h o wt h a tt h en e g a t i v e l y - c h a r g e dn v s i c e n t e ra t3 c - s i cp o s s e s se l e c t r o n i cs t r u c t u r e sa n ds p i ns t a t e sa r ev e r ys i m i l a rt ot h o s e o fn - vc e n t e ri nd i a m o n d c o n s i d e r i n gt h eg r e a ta c h i e v e m e n to fn vc e n t e ri n s o l i d 。s t a t eq u b i to p e r a t i o n ，o u rr e s u l t si m p l ya p r o m i s i n gw a y t oa c h i e v es o l i d s t a t e q u b i ti nt h e3 c - s i cb a s e do nn - v s ic e n t e r s k e y w o r d s ： s p i n t r o n i c s ，m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r ，s i c ，c a t i o nv a c a n c y ，f i r s t - p r i n c i p l e s c a l c u l a t i o n s ，g r o u pt h e o r y ，e l e c t r o n i cs t r u c t u r e 0 山尔人学坝l j 学位论文 1 1 自旋电子学简介 第一章绪论 以研究和控制电子的荷电特性及其输运特性为主要内容的微电子学，作为二 十世纪人类最伟大的成就之一，极大地推动了社会的进步，使人类进入了信息时 代。f e r t 和g r i i n b e r g 在“磁性金属非磁性金属磁性金属”多层膜结构中巨磁电 阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) i 的发现标志着自旋电子学的诞生。由于 g m r 效应来源于磁性材料对传导电子的自旋相关散射，而物质的磁性主要来源 于电子的自旋，因此g m r 效应首次将电子的电荷属性( 电流) 和自旋属性( 磁性) 结合在一起，其重要的应用前景极大地激发了人们对磁性材料输运的兴趣，磁学 的研究也从改善和提高材料的磁性能和机理解释深入到探寻磁性材料输运特性 的研究中来，并且与微电子学结合日益紧密。在此基础上发展起来的自旋电子学 2 ，3 ，4 ，5 作为近年来的新兴热点学科，得到了人们的广泛关注和深入研究。“自 旋电子学 这一概念中涉及了电子的两个基本属性：“自旋 代表电子的自旋属 性，“电子则代表电子的电荷属性。自旋电子学主要研究与电子的电荷和自旋 密切相关的过程，包括自旋源的产生、自旋注入、自旋传输、自旋检测及自旋控 制，其最终目的是实现新型的自旋电子器件，如自旋量子阱发光二极管、自旋 p n 结二极管、磁隧道效应晶体管、自旋场效应晶体管、量子计算机等。在自旋 电子学领域，磁性半导体和半金属是至关重要的自旋电子学材料；自旋注入半导 体异质结是新型自旋电子器件的基本结构；自旋极化的电子在磁性半导体、半金 属、半导体异质结中的输运是自旋电子学要研究的核心问题。 1 2 磁性半导体简介 磁性半导体通常是同时具有半导体的输运性质和铁磁性的材料，其磁性是由 电子的自旋属性引入的，而输运特性则是有电子的电荷属性决定的。铁磁性半导 体通常可通过将过渡族金属元素或者稀土金属元素离子，如v ，c r ，m n ，f e ， c o ，n i ，e u 等掺杂到传统的i i i - v 族、i i v i 族和i v 族化合物( 或单质) 如i n a s ， g a a s ，z n o ，t i 0 2 ，z n t e ，g e ，s i 等半导体材料中而得到的。由磁性离子代替 山东人学坝i ：q 2 位论爻 原有品格结构巾的非磁性刚离子而形成新一类的具钉铁磁性的半导体材料，同时 具备半导体和磁性材料的特征。根据现仃的知以，在磁性半导体l j ，预汁同时利 用电子的自旋和电荷使材料可能有以下独特的性质： 1 ) 可以做到对其载流子的自旋实施控制。由于即使关掉电源以后，自旋状 态也不会改变，因此它具有非易失性的特点，也称不挥发性。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 。 2 ) 局域磁矩和传导电子之间存在自旋自旋交换作用，它将直接影响半导体 材料的有关参数，如传导电子的g 因子，能带结构，杂质能级等。这些 物理因素必定会与外磁场发生相互作用，因而可以通过外磁场来调节和 控制材料的物理特性。 3 ) 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，就可大幅度提高运算速度，还可能会提高芯 片上有效集成的器件密度。 4 ) 由于磁性子格的无序性，使材料表现出无序磁性合金的一些有关性质， 如自旋玻璃转变，反铁磁团簇的出现等，因而铁磁性半导体将成为一大 类具有自旋玻璃特性的材料。 5 ) 将自旋( 极化) 考虑在内，将出现4 种载流子：正自旋电子、负自旋电子、 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现 量子计算。 6 ) 在铁磁性半导体中，其磁性离子和其它成分比例的改变将导致电子能态 的变化、载流子类型及其浓度的改变、以及载流子有效质量的变化等， 这为研究自旋载流子主导的各类自旋电子器件提供了理想的材料基础。 7 ) 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。 磁性半导体除了用来作为有效的自旋极化的注入源以外，因其所具备的许多 新的物理效应及其优良的电学和光学性质，在光、电、磁方面以及交叉领域都有 6 山东人学坝l j 学f t 论文 着十分诱人的自西景。首先，利用其在磁光方面的特性磁性半导体可用一r 磁光存储， 光波导 6 】，光学传感器等；其次，含有磁性半导体材料的超晶格，由于其导带 和价带会在磁场作用下形成一系列的亚带或子能级，而各亚能带i 、日j 的带隙和各带 边能级的相对位置都会明显受到外加磁场的影响，利用这种特性可以制造一系列 量子阱和超品格，为设计新的光电材料和器件奠定基础 7 1 0 ；另外，磁性半导 体的发展为量子计算技术提供了支持，量子计算技术是未来的一个重要发展方 向，它可以提供更大的存储空间和更快的运算速度，而具有室温铁磁性的磁性半 导体研究将有利于量子计算技术的实现。 1 3 磁性半导体研究现状 磁性半导体通常是指具有本征铁磁性的磁性半导体，以区别具有反铁磁性的 磁性半导体。一般将掺杂浓度不高的样品称为“稀磁半导体( d 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 ) 。磁性半导体的本征铁磁性必须通过磁圆二相色性( m c d ) 、反常 霍尔效应( a h e ) 和电场调制铁磁性的测量来确定 1 l 】。其中m c d 信号是最重要 的判据。非本征磁性半导体是指：虽然样品具有铁磁性，但它来源于某些杂质相， 如过渡金属的团簇等，而不是来自于替换半导体阳离子的过渡金属离子之间的铁 磁耦合作用。 自从上世纪9 0 年代g a l 。m n x a s 和i n l 。m n x a s 本征磁性半导体被发现以来， 人们对i i i v 族、i i - v i 族和族磁性半导体进行了广泛的研究。 1 9 8 9 年m u n e k a t a 等人首次成功得到了m n 组分石o 1 8 的i n l 囔m n x a s 材料， 发现体系中有部分的磁有序 1 2 】，继而1 9 9 6 年，h o h n o 等人发现了具有铁磁性 的( g a ，m n ) a s ，其居里温度为7 5 k 1 3 。这引起了人们对i i i v 族磁性半导体的 极大的兴趣。由于i i i v 半导体如g a a s 在当前的电子技术和光电子器件中己得 到广泛应用，因此在i i i v 半导体中引入磁性离子，制备磁性半导体将是意义重 大的。随着低温分子束外延技术的发展，人们解决了磁性离子在i i i v 半导体中 溶解度低的难题。 从与传统的半导体生产工艺相结合考虑，i v 族磁性半导体诸如基于s i 、g e 的磁性半导体是最佳的候选材料，目前世界上很多研究组也在进行这方面的工 作。有研究者发现基于g e 的磁性半导体居罩温度可以高达4 0 0 k 1 4 1 ，因而引起 山东人学倾i ? 学位论文 了人们极人的兴趣。p a r k 等人首先报道了m n 、g e l 、的居q ! 温度在2 5 k 剑1 1 6 k 之i 、r j 随m n 含量线性增长，并且观测到反常霍尔效应，通过外加电压能够控制样 品磁性【1 5 】。a p l i 等人将p a r k 等人的结果解释为场致效应的结果 1 6 】。y x c h e n 等人在高m n 浓度掺杂m n 。g e l - x 中发现了铁磁性和反常霍尔效应，由两者 判定的居旱温度吻合，约为2 1 3 k ，作者认为磁性来源于弱局域的s ，p 空穴载流 子和强局域的m n 离子的d 电子之间的s ，p - d 交换作用 1 7 】。ys h u t o 等人用低 温m b e 制备了g e l x f e 。样品，居里温度为1 7 0 k ，磁圆二色谱( m c d ) 证明其为 本征的磁性半导体【1 8 】。共同掺杂的c o o 1 2 m n o 0 3 g e o 8 5 1 1 9 和 g e o 8 l m n o 1 3 f e o 0 6 2 0 】也相继发现铁磁性，居里温度分别为2 7 0 k 和2 0 9 k 。由于 - g e 与过渡族元素的化合物居多，如m n 5 g e 3 、m n l l g e 8 等，很难排除其铁磁性杂 质相的影响，是否能得到室温铁磁性的族磁性半导体仍然是个疑问。 除了i i i v 族和族磁性半导以外，目前i i v i 族磁性半导体特别是氧化物磁 性半导体成为目前磁性半导体材料研究的热点。目前氧化物磁性半导体主要集中 在t i 0 2 基和z n o 基磁性半导体上，g i i t i 0 2 基磁性半导体的研究主要集中在t i 0 2 ： _ c o 上。许多研究者倾向于其铁磁性来自t i 0 2 中纳米尺寸的c o 团簇。但也有很多 的研究表明其铁磁性来自t i l x c o 。0 2 的内禀铁磁性，也就是说，c o 掺杂t i 0 2 得到 的是本征的铁磁性半导体。关于这一争论目前还没有最后定论。t d i e t l 等人用 z e n e r 模型解释了g a m n a s 体系中铁磁性的起源，认为磁性来源于自由载流子( 空 穴) 与过渡元素( m n ) 局域的d 电子之间的交换作用，并且得到了居里温度与空 一 穴浓度之间的关系 2 l 】，同时t d i e t l 等人利用z e n e r 模型预言了在掺杂过渡族元 素的p 型的z n o 居里温度将高于室温，掀起了人们对z n o 基磁性半导体研究的热 潮。实验上人们相继在过渡元素掺杂z n o 中发现了室温铁磁性 2 2 3 0 。k s a t o 等 人用第一性原理系统计算了vc r ，f e ，c o ，n i 掺) k z n o 后所得到的能带图 3 1 3 4 。 在z n o 中，t m 杂质的磁矩几乎饱和，在这种情况下，磁矩有两个量子化方向， 即向上和向下。结果是，z n o 基的磁性半导体的电子结构有两种倾向，一种是所 有的磁矩方向都排列一致，呈铁磁性，另一种是自旋玻璃态，每个磁矩的排列是 随机的，整体不显示磁性。此外，在z n o 中用激光脉冲沉积或离子注入的方法掺 杂非磁性的碳元素，得到了具有室温铁磁性的半导体材料 3 5 3 6 】；理论研究表明， 在z n o 中掺入氮元素，也可以得到有铁磁性的材料 3 7 】。 8 山东人学坝i j 学f t 论义 自从人们首先在二氰化铪薄膜中发现了j | 掺杂的室温铁磁性f 3 8 ，4 l l 继义企 s n 0 2 3 9 1 ，t i 0 2 4 0 4 2 ，c e 0 2 4 3 ，c a o 4 4 1 ，a 1 2 0 3 ，i n 2 0 3 1 4 5 ，m g o 4 6 1 ，z n o 【4 7 5 6 等氧化物中发现类似的非掺杂室温铁磁性。一些实验及理论计算表明铁 磁性的起源与晶体缺陷密切相关：石墨受辐射时，入射粒子撞击c 原子将使c 原 子离位而产生空位和问隙原子形成缺陷，实验发现没有磁性的石墨受辐射后具有 铁磁性，与此相关，基于密度泛函理论的计算表明受辐射的石墨中某些缺陷具有 磁矩，h f 0 2 中电中性的h f 空位带有3 51 l t b 的磁矩，磁矩主要来自h f 空位周围 的o 原子，两个h f 空位磁矩铁磁耦合。c a o 中电中性和带一个负电荷的c a 空 位分别带有1 9 和1 0 p b 的磁矩，两个电中性的c a 空位磁矩在相距一定距离范 围内铁磁耦合。由此可以预料不含磁性离子物质中的缺陷会对其磁学性质产生重 要影响。不同研究小组对同一物质的磁性得到了不同的实验结果，这进一步表明 具有磁矩的某种缺陷只有在一定的条件下( 一定的缺陷浓度、一定的环境等) 其磁 矩才能耦合产生室温铁磁性。 总的来说磁性半导体一般可通过以下几种方法来得到： 1 ) 通过在半导体材料中掺杂磁性元素。 2 ) 在半导体材料中掺杂非磁性元素也可以得到磁性半导体。 3 ) 半导体材料中的缺陷也可以诱发磁性，即非掺杂的磁性半导体。 鉴于本论文的工作是研究s i c 非掺杂磁性，下面重点介绍s i c 基磁性半导体 研究的基本现状。 9 l j j 尔人学顺l4 学似论文 1 4s i c 基磁性半导体概述 早在1 8 2 4 年，瑞典著名化学家b e r z e l i u s 在合成金刚石的过程中就观察到 了s i c 。1 9 世纪术，a c h e s o n 利用电熔炉开发出了大批量生产s i c 的方法，自此 s i c 材料丌始受到重视，用此工艺生产的s i c 被广泛用作研磨材料。1 9 0 7 年 r o u n d 观察到，当有电流通过s i c 晶体时出现电致发光效应；从1 9 2 3 到1 9 4 0 年， l o s e v 对此效应进行了深入研究，发现电致发光效应与晶体表面的特殊“活化层” 相关，并证明在电致发光效应和整流现象之问存在密切的联系。这样，现代电子 学的基石1 n 结的整流特性首先在s i c 晶体中发现。 2 0 世纪5 0 年代，人们在探寻比锗的工作温度高的半导体材料过程中，s i c 作为半导体材料而受到了高度重视。1 9 5 5 年，l e l y 发明了制各杂质数量和种类可 控的、具有较高质量s i c 单晶的升华方法【5 7 】。1 9 7 8 年，t m r o v 和t s v e t k o v 5 8 】对 l e l y 的方法进行了改进，用改进的l e l y 法可以生长大尺寸高质量的单晶s i c ，并 且生长速率得到显著提高。从此，s i c 技术进入快速发展阶段。 1 4 is i c 半导体的基本性质 s i c 的基本结构是正四面体结构 5 9 】。每个c 原子周围有四个最近邻的s i 原 子，反之亦然，每个s i 原子周围有四个最近邻的c 原子。s i 原子和c 原子的结合以 共价键为主，其中共价键成分占8 8 ，离子键成分占1 2 。c s i 键长为1 8 9 a ，键 角p 为7 0 5 2 9 。，相邻c 原子或s i 原子的距离为3 0 8a 。s i c 与其它半导体材料相 比，存在许多不同之处。其中s i c 的多型( p o l y t y p e ) 现象给人们留下了比较深刻 的印象。目前发现的s i c 多型体己超过2 0 0 种，从理论上讲多型体的数目应该是 无限的。多形体之问的区别仅在于i 土t s i 原子层和c 原子层构成的双原子层堆垛 次序的不同。如图1 1 。 l o o as i t e 口b s i t e c s i t e ( a ) t ：0 0 0l 善c a x i s 2 h s i c 4 h s i c 雾宕 6 h s i c aaaa c a t o i l l 0 s ia t o m ( b ) 图1 1s i c 的晶体结构：( a ) s i - c 双原子层的三个可能的堆垛位置( a 、b 和c ) ； 四种多形体2 h 、3 c 、4 h 和