半金属ZnxFe3-xO4物理性质的调控以及ZnxFe3-xO4/n型Si界面性质的研究

摘要

自旋电子学将电子的自旋特性引入到新型电子器件中，利用自旋作为信息存储和传输的载体，具有退相干时间长、能耗低、数据处理速度快、集成度高、稳定性强等优点，成为信息科学、凝聚态物理及新材料等领域共同关注的热点。
　　铁基材料是来源和应用最为广泛的磁性材料，也是自旋电子材料中最重要的组成部分之一。本论文以 Fe3O4自旋电子材料为研究对象，利用溶胶-凝胶法制备了不同Zn掺杂浓度的多晶ZnxFe3-xO4（0?x?1）粉末、薄膜以及ZnxFe3-xO4/Si异质结构，系统研究了A位掺杂对材料结构、成分以及磁、电输运性质的影响，主要研究结果如下：
　　一、结构和成分的研究结果表明，随着 Zn掺杂浓度的增加，ZnxFe3-xO4的晶格常数增加，晶粒直径减小，并且在Fe2p的XPS谱中，Fe2+峰强度逐渐减弱，证明Zn2+掺入到了样品的晶格中。XPS价带谱的研究表明，随Zn2+掺杂浓度的增加，体系由金属性转变为半导体性，并且下自旋t2g载流子的浓度逐渐降低。
　　二、磁性研究结果表明，掺杂Zn2+前后的Fe3O4薄膜仍保持稳定的铁磁性，居里温度高于300 K；饱和磁化强度随Zn掺杂浓度的增加而逐渐降低。
　　三、电输运性质研究表明，制备态的Fe3O4多晶薄膜室温电阻率随Zn掺杂浓度的增加而增加超过一个数量级。室温下 Fe3O4薄膜的磁电阻为-3.4％，掺入Zn元素后，磁电阻并未出现明显的变化；通过 Inoue模型结合磁电阻曲线可估算室温下Fe3O4薄膜的自旋极化率超过19%，Zn0.3Fe2.7O4薄膜的自旋极化率超过18%。
　　四、研究了ZnxFe3-xO4/Si异质结构的界面结构与电输运性质。I-V曲线的测量结果表明，随着 Zn掺杂浓度的增加，Si/ZnxFe3-xO4界面处的肖特基势垒高度降低，更有利于自旋向半导体材料中的有效注入。
　　上述结果表明，ZnxFe3-xO4薄膜可以保持较高的自旋极化率，并在较宽的范围内调节载流子浓度和电阻率，以实现与各种半导体材料的电阻率匹配，此外， ZnxFe3-xO4可以与半导体形成较好的接触界面，从而满足向不同种类、不同掺杂浓度的半导体材料注入自旋极化电流的应用需要。

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第一章 绪论

第一节 引言

第二节 研究背景

第三节 自旋相关输运理论

第四节 本论文的工作

第二章 实验方法

第一节 实验药品与设备

第二节 样品的制备

第三节 结构、成分及物理性质的测量

第三章 多晶ZnxFe3-xO4薄膜与粉末的性质

第一节 样品的结构、成分与光学性质

第二节 样品的磁性与电性

第三节 本章小结

第四章 多晶ZnxFe3-xO4/Si 复合结构输运特性研究

第一节 ZnxFe3-xO4/Si异质结的结构分析

第二节 ZnxFe3-xO4/Si 异质结构的肖特基势垒研究

第三节 本章小结

第五章 结论

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