氧化物稀磁半导体的室温铁磁性及其在霍尔器件中的应用

摘要

自旋电子学是致力于同时操控电子的电荷自由度和自旋自由度的新兴科学。在众多的自旋电子器件候选材料中，由于稀磁半导体具有着较高的居里温度，因此在近些年引起了人们的广泛关注。相对于传统半导体器件，基于稀磁半导体制备的自旋电子器件，具有更快的处理速度、更高的集成度、更低的功耗等众多优势。但是到目前为止，稀磁半导体领域中不论是基础研究还是应用研究，都存在有许多争议与亟待解决的科学问题。因此本文选定传统氧化物稀磁半导体的铁磁性以及氧化物稀磁半导体基颗粒薄膜在霍尔器件上的应用进行了以下研究：
　　第一，采用磁控反应溅射制备了厚度为280nm的Cux(Cu2O)1-x颗粒膜，实验结果表明不同金属体积比的颗粒膜中均出现了室温铁磁性，成分及光致发光谱的结果表明，该体系中的铁磁性与界面处的Cu空位（VCu）存在紧密的联系。
　　第二，为了进一步说明Cu/Cu2O界面处的铁磁性，本文采用磁控溅射及氧气中退火的方法制备了粒径约为8～9nm的Cu/Cu2O核壳纳米颗粒。Cu/Cu2O核壳纳米颗粒具有更大的室温铁磁性，体系的饱和磁化强度随着退火时间呈现了先升高后降低的变化趋势，其中饱和磁化强度的最高值为19.8emu/cc，甚至高于某些磁性元素掺杂的Cu2O体系。通过光致发光谱的分析，发现体系中磁性强弱的变化趋势与体系中VCu的含量有着密切的关系。根据Cu/Cu2O界面的能带排列，VCu所导致的铁磁性可以采用局域电荷转移的Stoner模型来理解。同时，退火过程实际上是调控Cu原子在Cu/Cu2O界面处的扩散，引起界面处VCu的变化，进而起到调节磁性的作用。
　　第三，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了Cu/Cu2O的界面的稳定性、电子结构、Cu原子的扩散势垒。结果表明，只有界面处第二层的VCu才会导致较大的局域磁矩，而且该局域磁矩主要由最近邻O的2p轨道和与成键的最近邻的Cu原子3d轨道共同贡献。由于其杂质态位于费米能级附近，电荷转移使得Stoner判据得到满足，导致体系的自旋劈裂。由于反键态的作用，ONN-2p的交换劈裂也使得其最近邻的Cu原子的3d轨道也产生了交换劈裂。通过对比不同位置VCu的空间结构与局域态密度，发现只有第二层的VCu会使得其最近邻的O原子获得两个悬键态，从而使O原子的2p轨道更加局域，可以使费米能级处具有较大的态密度。而位置的VCu均无法为其最近邻的O原子创造足够多的悬键态，因此体系中未出现明显磁性。通过过渡态计算，研究了Cu在Cu/Cu2O界面之间的扩散势垒。研究结果表明，Cu通过界面扩散至Cu2O需要跨越1.2eV的能量势垒。在实验条件O2压强0.2Pa、衬底温度150℃下，Cu跨越1.2eV的势垒并占据Cu2O的VCu需要40分钟，因此实验上可以通过退火过程控制Cu的扩散，进而调控Cu/Cu2O的界面磁性。
　　第四，采用离子束溅射的方法制备了Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜，并通过调节膜厚和成分比例，探索金属-稀磁半导体颗粒薄膜在霍尔元件上的应用潜力。实验结果表明，当薄膜的厚度由50nm下降至2.8nm时，Fe0.6(ZnO)0.4颗粒薄膜的反常霍尔系数可以增加至原来的9倍，约为4.27×10-7m3/C，同时也是相同厚度的纯Fe薄膜的12倍。所有样品中，2.8nm的Fe0.6(ZnO)0.4的纳米颗粒薄膜具有最大的室温霍尔灵敏度（130V/AT），与传统半导体（GaAs等）的霍尔元件灵敏度相当，而且其工作温区为10K～300K，远大于商用的高灵敏度霍尔传感器（InSb，260~420K），因此具有较大的应用潜力。更重要的是，磁性颗粒膜中普遍存在的超顺磁现象并未出现在Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜中。这是因为Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜中的母体材料不是本征的ZnO，而是在制备过程中被Fe掺杂后的稀磁半导体（Fe-ZnO）。具有稀磁半导体特征的Fe-ZnO与Fe颗粒也存在有相互作用，保护了Fe颗粒室温磁稳定性，因此即使当Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜接近二维时，仍然能够保留较大的室温铁磁性。Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜的反常霍尔电导率与正常电导率之间指数关系为σxy∝σ1.7±0.1xx，验证了多带理论在高无序度的体系中也同样适用。

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第一章 绪论

第一节 稀磁半导体

第二节 d0铁磁性

第三节 反常霍尔效应

第四节 本论文的工作

第二章实验与理论计算方法

第一节 样品的实验制备及表征方法

第二节 第一性原理计算

第三章Cu/Cu2O颗粒膜与核壳纳米颗粒中的室温铁磁性

第一节 Cux(Cu2O)1-x颗粒薄膜的结构与成分表征

第二节 Cux(Cu2O)1-x颗粒薄膜的室温铁磁性

第三节 Cux(Cu2O)1-x颗粒薄膜的光谱学分析

第四节 Cu/Cu2O核壳纳米颗粒的结构与成分表征

第五节 Cu/Cu2O核壳纳米颗粒的磁学性能表征

第六节 Cu/Cu2O核壳纳米颗粒的光谱学分析

第七节 Cu/Cu2O核壳纳米颗粒中的VCu含量变化和铁磁性机理

第八节 本章小结

第四章 Cu/Cu2O界面磁性的机理和调控

第一节 Cu(111)表面和Cu2O(111)表面

第二节 Cu/Cu2O界面的稳定性

第三节 Cu/Cu2O(111)界面的Cu空位与铁磁性

第四节 Cu原子在Cu/Cu2O(111)界面中的扩散

第五节 本章小结

第五章Fe/ZnO颗粒膜中的反常霍尔效应

第一节 Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜的形貌表征

第二节 Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜的磁学和电学性质

第三节 Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜反常霍尔效应的机理

第四节 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果