不同晶向YSZ衬底上铁掺氧化铟单晶薄膜的生长和性质研究

摘要

微电子学以研究和控制电子的电荷及其输运特性为主要内容，是现代信息技术的基石。但是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。伴随着器件集成度的提高，半导体元件的尺寸已经进入纳米尺度，单位面积的能耗急剧上升，热损伤问题日益严重，严重影响了性能和稳定性。上世纪八十年代末，Fert和Grünberg几乎同时发现的巨磁阻抗效应(GMR，GiantMagneto-Resistance)引发了磁存储和磁记录领域的革命，使九十年代计算机的应用获得了腾飞。从此之后，自旋电子学一门以研究、利用和控制自旋极化的电子输运过程为核心的新兴学科，成为了科学界研究的热点。自旋电子学的目的是通过磁场等在介观尺度上调制自旋状态，借助电子传导和磁性间的关联效应，实现对电了输运特性的调制而开发出各种电了器件。要实现性能优异的自旋电子器件，首要任务就是要开发出既有半导体的带隙，同时又具有磁性材料的自旋子带劈裂的新材料，因而，具有室温铁磁性和高自旋极化度的铁磁性半导体材料的制备是应当首先解决的问题。
　　 现在常用的磁性氧化物制备的技术路线就是在半导体材料中掺杂过渡金属元素，使之以替位掺杂的形式进入半导体的晶格结构，进而通过磁性离子之间的铁磁耦合作用，使半导体材料在原有带隙的基础上，产生铁磁性。20世纪90年代，Ohno等人在GaAs中成功实现了Mn掺杂，但其居里温度最高只能达170K，无法满足器件的应用需求。2000年，T.Dietl等人基于传统的Zener模型通过理论计算预言了Mn掺杂的宽禁带半导体GaN及ZnO会具有居里温度高于300K的铁磁性，这一结果一经报道，立即引发了人们对于氧化物基铁磁性半导体的研究热情，大量的实验和理论工作陆续开展起来。研究最多的是ZnO和TiO2体系，但不同研究组所报道的结果却各不相同甚至互相矛盾，以致直至今日，关于过渡金属掺杂的氧化物体系中是否具有本征铁磁性的问题仍然没有定论。同时，对于过渡金属掺杂的氧化铟体系而言，尽管目前对于该体系的研究尚处于起步阶段，但文献所报道的结果中大部分都发现了铁磁性的存在，部分还发现了反常霍尔效应等独特的性质，且铁元素在氧化铟基体中的溶解度高达20％。在这样的背景下，同时结合氧化铟基体材料所具有的优良的光电特性及气敏性质，铁掺杂氧化铟便成为了本论文的研究体系。
　　 样品的制备，我们采用脉冲激光沉积的方法，实验所需要的陶瓷靶用固相反应烧结的方法制备而成。我们在YSZ的不同晶面方向[(100)，(110)，(111)]的衬底上，以不同温度生长了纯氧化铟以及铁掺氧化铟的样品，XRD结果表明薄膜都沿着各自衬底的晶向生长；原子力显微镜显示三个方向的衬底都可以生长出具有规则结构的晶粒，(100)晶向趋向于长方体，(110)晶向趋向于截面为三角形的长条状晶体，而(111)晶向趋向于二角柱或者六边柱，同时有倾斜面存在；磁性测量表明在垂直于膜面和平行于膜面的方向都存在明显的各向异性。样品的生长过程中采用RHEED进行监控，衍射条纹尖锐，没有杂点出现，说明所生长的薄膜具有很好的外延结构。为了探讨铁磁性的来源，我们对样品进行了霍尔效应的测量，得到的结果表明，样品都具有较为明显的反常霍尔效应。
　　 综上所述，本文得到了具有良好结构的铁掺氧化铟外延薄膜，具有良好的铁磁性，在垂直于膜面和平行于膜面的方向存在明显的各向异性，XRD表明在各自晶向的衬底上都生长出了匹配的外延薄膜，霍尔效应测量说明样品在室温下就具有明显的反常霍尔效应，证明样品具有本征的铁磁性，同时具有良好的晶体结构。

目录

文摘

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英文目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 铁磁性半导体

1.2.1 铁磁性半导体的基本特征

1.2.2 铁磁性半导体的研究历史

1.2.3 铁磁性半导体中的磁性起源

1.2.4 铁磁性半导体的潜在应用

1.3 氧化铟材料理化性质介绍

1.4 氧化铟基铁磁性半导体的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第二章 样品的制备技术与测试分析方法

2.1 脉冲激光沉积技术

2.1.1 脉冲激光沉积的原理

2.1.2 脉冲激光镀膜的优缺点

2.1.3 实验用脉冲激光沉积设备简介

2.2 薄膜的测试分析方法

2.2.1 X射线衍射

2.2.2 反射式高能电了衍射

2.2.3 原子力显微镜

2.2.4 交变梯度磁强计

2.2.5 反常霍尔效应测量设备

第二章 具有良好结构的铁掺杂氧化铟铁磁性半导体的生长及性能研究

3.1 引言

3.2 外延铁掺杂氧化铟单晶薄膜的制备方法

3.3 外延铁掺杂氧化钢单晶薄膜的各种性质研究

3.3.1 晶体结构特征

3.3.2 RHEED图样

3.3.3 磁特性

3.3.4 反常霍尔效应

3.3.5 原子力显微镜

3.4 结果与讨论

3.5 展望

参考文献

致谢

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