Ni在氮化物表面的吸附、扩散和磁性行为的研究

摘要

Ⅲ族氮化物半导体材料具有宽禁带直接带隙、良好的结构稳定性、高化学稳定性、高热稳定性、光传输特性好、低毒害性等特点，这使得Ⅲ族氮化物宽禁带半导体材料在光电子器件、自旋电子器件等领域具有重要的应用价值。特别是基于Ni掺杂的Ⅲ族氮化物材料，当Ni在氮化物表面吸附时，可以有效的提高p型氮化物的空穴浓度，从而提高LED的性能和质量。此外，过渡金属Ni掺杂Ⅲ族氮化物材料是制备自旋电子器件重要的可选材料。
　　尽管如此，在实际应用中仍然有诸多问题有待解决，比如氮化物和金属Ni的界面接触的研究仅仅局限于实验分析，其界面机理在理论计算方面鲜有研究。此外，在制备自旋电子器件方面，目前难以获得室温磁性材料，而且对稀磁半导体材料的磁性机理仍有争议。本论文围绕当前Ⅲ族氮化物宽禁带半导体之热点薄膜材料——AlN和AlGaN薄膜，对界面接触和稀磁半导体应用中的部分问题进行了理论探索和实验分析研究，取得的主要研究结论及部分创新性结果如下：
　　1、研究采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，对Ni在AlN表面吸附、扩散的行为进行理论研究。研究结果表明，Ni原子在AlN(0001)-2×2表面最佳的吸附位置是H3位置，次稳定位置是T1，并且在AlN(0001)表面十分容易吸附Ni原子。当Ni的覆盖率较小（0.25-0.5）和覆盖率较大（0.75-1）时，Ni最佳的吸附位置分别在H3和T1。
　　2、选择用离子注入法将镍分别注入到AlN和AlGaN薄膜表面，经过900℃退火处理，对样品进行XRD测试，XPS测试和VSM测试。结果表明，经过离子注入后，镍金属颗粒在AlN和AlGaN薄膜体内的间隙位存在。900℃退火处理将Ni离子从样品间隙位置转移到晶体的替代位置，并且成功激活了Ni3+原子。在300K下检测出十分清晰的磁滞回线，说明样品具有磁性，居里温度高于室温。其中镍掺杂AlN样品具有更高的磁化强度，而镍掺杂AlGaN样品具有更小的矫顽力，镍掺杂AlN薄膜和镍掺杂AlGaN薄膜都是很有应用前景的稀磁半导体材料。
　　3、研究采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，对Ni掺杂AlN和Ni;掺杂AlGaN的晶格结构、磁性性质进行了理论计算。研究结果表明，费米能级附近的主自旋和次自旋的态密度不完全重合，产生的净磁矩会使半导体材料展现出磁性。从模拟计算结果中可以看出，Ni掺杂AlN和Ni掺杂AlGaN都具有明显的磁性，超晶胞的磁矩主要局域于NiN4四面体内。Ni-3d和N-2p在费米能级附近有明显的杂化作用。这为本论文用Ni-3d和N-2p之间的p-d交换机制来解释材料的磁性来源奠定了理论基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 氮化物材料的研究背景与意义

1.2 氮化物材料的结构和特性

1.3 Ni在氮化物表面吸附的研究现状

1.4 Ni掺杂氮化物的磁性理论研究

1.5 研究内容与本文结构

2 计算原理与测试方法

2.1 第一性原理

2.2 薛定谔方程

2.3 样品结构和物性表征及基本原理简介

3 Ni在AlN表面吸附、扩散的理论研究

3.1 研究目的

3.2 计算方法

3.3 Ni在AlN表面吸附和扩散的理论计算

3.4 本章小结

4 Ni掺杂AlN外延薄膜的结构和磁性研究

4.1 研究目的

4.2 离子注入的工艺特点及退火

4.3 样品制备

4.4 实验分析

4.5 AlN的理论模型和计算方法

4.6 Ni掺杂AlN的理论结算

4.7 本章小结

5 Ni掺杂AlGaN外延薄膜的结构和磁性研究

5.1 研究目的

5.2 样品制备

5.3 实验分析

5.4 Al0.5Ga0.5N的理论模型和计算方法

5.5 Ni掺杂Al0.5Ga0.5N的理论结算

5.6 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录