Mn掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的软X射线光谱

摘要

近年来，稀磁半导体(DMSs)因其在自旋电子学器件上潜在的应用价值，引起了人们的广泛兴趣。相关理论研究预言Mn掺杂p型ZnO DMSs的居里温度(Tc)可以达到室温，甚至室温以上，在实验中也观察到(Zn，Mn)O具有丰富的磁学现象。然而，对其铁磁性是载流子诱导的，还是源于Mn相关的磁性第二相仍存在很大争议。因此，了解(zn，Mn)O中Mn原子的局域环境以及电子态的信息，对于了解其磁性的起源具有十分重要的意义。随着高亮度第三代同步辐射光源的出现而发展起来的软X射线光谱技术可以提供有关材料电子结构的丰富信息，是一种备受关注的新型的谱学探测方法。
　　在本论文中，我们主要是利用美国第三代同步辐射装置-先进光源(ALS)8.0.1光束线(BL8.0.1)的软X射线荧光谱仪，对(zn，Mn)O薄膜样品进行了原子局域结构和电子结构的研究。结合磁性测量，我们试图找到铁磁性样品的合适的Mn掺杂浓度和优化生长条件。对于采用MBE方法在200℃温度下生长的不同Mn掺杂浓度的样品，研究发现在低Mn浓度样品中，Mn原子主要处于替代位置；当Mn浓度较高(20％或更高)时，在薄膜中会生成MnO团簇结构。随着Mn浓度从低到高，样品的磁性从铁磁(Tc=45 K)向反铁磁发生转变。在实验上主要是研究了MnL2，3边的X射线发射光谱(XES)。通过计算在共振和非共振激发条件下MnL2与MnL3发射峰积分强度的比值(I(L2)/I(L3))，可知在铁磁性样品中具有大量行为类似于巡游电子的自由d电子。通过建立多种Mn原子构型，对样品的电子结构和交换相互作用进行了第一性原理的计算，并与实验结果进行比较。计算表明，单靠Mn替位原子，并不能使(Zn，Mn)O样品产生铁磁性，在低Mn浓度(<20％)样品中，铁磁性主要起源于替位Mn和间隙Mn之间的RKKY交换相互作用；而高Mn浓度样品中形成的MnO团簇则导致了反铁磁性的出现。
　　通过降低生长温度到150℃，在Mn浓度为20％的(Z，n，Mn)O样品中，成功地避免了MnO第二相的生成，并表现出铁磁性。由于此样品接近于Mn原子在ZnO中的固溶度极限，在薄膜内存在大量的应力。经过400℃退火，Mn原子在样品中发生扩散，再分布并形成Mn2O3团簇，其铁磁性明显减弱。相关的理论计算表明，在非平衡过程生长的应力薄膜中存在的间隙Mn可以成为铁磁性产生的主要原因。样品经过退火，铁磁性的减弱应该与形成的Mn2O3团簇有关。可见，退火处理对样品的结构和磁性产生十分重要的影响。
　　鉴于本论文中(zn，Mn)O样品生长温度较低的特性，我们在计算中只考虑了形成能较低的各种Mn原子构型，使复杂的理论计算得到简化，并较好地解释了实验结果。通过对样品电子结构的分析，建立了磁性与结构之间的内在联系，这将有助于我们更加深刻地理解(Zn，Mn)O中磁性的起源。