Co/Sn非补偿p-n共掺杂调控In2O3稀磁氧化物的局域结构与磁性

摘要

本论文采用磁控溅射法，在SiO2/Si（100）和超白玻璃基片上制备Co/Sn共掺杂In2O3稀磁半导体薄膜。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收精细结构（XAFS），电阻温度曲线（R-T）、Hall效应、磁电阻（MR）、超导量子干涉仪（SQUID）、紫外-可见光吸收光谱（UV）等表征手段研究Co/Sn共掺杂In2O3稀磁半导体，分析p-n共掺杂对In2O3稀磁半导体薄膜的局域结构及自旋相关磁、光、输运性能的影响，研究结果如下：
　　1、制备了不同Co掺杂浓度的(In0.98-xCoxSn0.02)2O3薄膜。XRD、XPS以及具有元素分辨的同步辐射XAFS测试表明，制备的(In0.98-xCoxSn0.02)2O3薄膜都具有立方方铁锰矿In2O3结构，晶格中存在大量氧空位，Co主要是以+2价形式替位In2O3中In3+离子。但即使在低Co掺杂浓度(x=0.05)下，仍有少量Co分离相，即Co金属磁团簇出现，随着Co掺杂浓度增加，Co磁团簇也随之进一步增加。输运性能测试表明，所有薄膜样品均表现负磁阻行为，随着Co掺杂浓度的增加，载流子浓度逐渐降低，电阻率增加。薄膜样品的导电机制在低温区符合 Mott变程跃迁，而高温区符合硬带跃迁，证实了载流子有强局域性。U-V测试分析发现，薄膜样品的透光率随Co掺杂浓度的增加逐渐减低，吸收边发生红移，禁带宽度也逐渐变小。磁性测试表明，所有样品都具有有明显的室温铁磁性。随着Co掺杂浓度的增加，饱和磁化强度先增大后减小。室温铁磁性起源排除了载流子媒介机制，很可能源于氧空位诱发的束缚磁极子机制。当Co的掺杂浓度过高时，更多的磁性离子出现在束缚磁极子之外，表现为反铁磁性，薄膜样品Ms减弱。
　　2、制备不同 Sn掺杂浓度变化的(In0.95-xCo0.05Snx)2O3)薄膜。局域结构分析表明，制备的(In0.95-xCo0.05Snx)2O3)薄膜都具有立方方铁锰矿In2O3结构。当Sn掺杂浓度为 x=0.02时，掺杂的Co和Sn元素主要是以+2和+4价形式替位In2O3中In3+离子，但存在少量Co金属磁团簇分离相。随着Sn掺杂浓度增加，Co磁团簇逐渐消失，最终完全替位In2O3中In3+离子。这一结果证实了Sn4+离子与Co2+离子的p-n共掺杂由于具有相反的电性而相互吸引，有利于降低晶格取代位置的缺陷形成能，促进晶格替位，抑制Co磁团簇的产生。输运性能测试表明，随着Sn的掺杂浓度增加，n型载流子浓度单调增加，但薄膜的导电机制在低温仍符合Mott变程跃迁，证实载流子有强局域性。U-V测试分析发现，薄膜样品的透光率随着 Sn的掺杂浓度增加而升高，吸收边发生了蓝移，禁带宽度逐渐变大。所有薄膜样品均有室温铁磁性，随 Sn掺杂浓度增加，饱和磁化强度 Ms随之增大。由于载流子的强局域性以及超顺磁Co的存在，室温铁磁性起源排除了载流子媒介机制和Co磁团簇第二相，很可能源于氧空位诱发的束缚磁极子机制。当Sn的掺杂浓度增加，促进了Co进入晶格替位，有效增加束缚磁极子数目增加，导致薄膜样品的铁磁性增加。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2稀磁半导体的研究概况

1.3 In2O3基稀磁半导体

1.4本论文的创新点及研究目的

1.5研究的内容和方法

第二章 薄膜样品的制备与表征方法

2.1 薄膜样品制备方法的选择

2.2 表征方法

2.3 本章小结

第三章 (In0.98-xCoxSn0.02)2O3薄膜的制备、结构与性能

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.4 Co掺杂含量变化的(In0.98-xCoxSn0.02)2O3薄膜磁性来源

3.5 本章小结

第四章 (In0.95-xCo0.05Snx)2O3薄膜的制备、结构与性能

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.4 Sn掺杂含量变化的(In0.95-xCo0.05Snx)2O3薄膜磁性来源

4.5 本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢