共掺杂In2O3基稀磁半导体的局域结构、输运性能及磁性的研究

摘要

本论文利用射频磁控溅射方法，在SiO2/Si（100）及超白玻璃衬底上沉积了Fe/Sn、Fe/Mg及Mn/Mg共掺杂In2O3稀磁半导体薄膜。利用XRD、XPS、XAFS、SQUID、Hall、R-T、M-R及U-V等结构表征和性能测试方法系统地研究了In2O3基稀磁半导体的结构与磁输运性能，获得如下结果：
　　1、制备了Fe/Sn共掺杂In2O3薄膜。XRD结果显示所有样品为立方方铁锰矿结构，没有出现 Fe、Sn团簇及其氧化物等第二相。XPS分析表明，样品中 Fe存在形式为+2价和+3价的混合态，Sn的存在形式为+4价。组合同步辐射XANES实验谱以及多重散射理论计算表明，Fe离子替位In1位置，且第一近邻壳层存在2个氧空位。所有薄膜样品都表现为半导体的导电特性，载流子浓度随着 Fe掺杂浓度的升高而降低，电阻率则增加。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，说明载流子有强局域性。磁电阻（MR）测试表明，具有低Fe掺杂浓度的薄膜在10K~35K表现为负磁阻；当Fe的掺杂浓度达到x=0.07,0.085后，在10K低温时，出现正磁阻，随着温度的升高又转变为负磁阻。所有薄膜样品都具有RT FM，且随着Fe掺杂浓度的升高，Ms逐渐降低。Fe离子周围的强晶格畸变和Vo为本征RT FM产生的重要原因。
　　2、Fe/Mg共掺杂In2O3样品为方铁锰矿结构，没有出现Fe、Mg团簇及其氧化物第二相。Fe以+2和+3混合价态替代In2O3晶格中的In1位置，且第一近邻壳层存在氧空位。当薄膜中Fe掺杂浓度x=0.02时，在191K左右导电机制有半导体特性转变为金属导电特性，其它掺杂浓度的薄膜全表现为半导体的导电特性，载流子浓度随着 Fe掺杂浓度的升高逐渐降低，而电阻率则逐渐升高。在低温区其导电机制由 Mott变程跃迁主导，在高温区则由硬带跃迁主导。随着 Fe掺杂浓度的升高，薄膜的磁电阻由负磁阻逐渐向正磁阻转变；且当 Fe掺杂浓度较高时，薄膜的磁电阻随着温度的升高由正磁阻向负磁阻转变，直至消失。磁电阻的存在以及正负磁阻的贡献与Fe掺杂浓度、温度有强关联。样品的透光率随 Fe掺杂浓度的升高而逐渐降低，禁带宽度逐渐减小。所有样品都有本征RT FM，且Ms随着Fe掺杂浓度的增加而先升高后降低。铁磁性的产生与Fe离子周围的强晶格畸变和O空位有十分密切的关系。
　　3、Mn/Mg共掺杂In2O3样品为方铁锰矿结构，Mn以Mn2+离子形式替代In1的位置，且近邻壳层存在Vo，样品中未出现 Mn团簇及其氧化物第二相。所有薄膜样品全表现为半导体的导电特性，载流子浓度随着Mn掺杂浓度的增加而逐渐降低，电阻率则逐渐升高。低温时，薄膜导电机制与 Mott变程跃迁相符；高温时，与硬带跃迁相符。样品的透射率随着Mn掺杂浓度的升高而降低，且吸收边位置发生红移现象，禁带宽度减小。所有薄膜样品都具有本征RT FM，Ms随Mn掺杂含量先降低后升高。Mn离子周围的强晶格畸变与Vo是铁磁性产生的主要原因。

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第一章 绪论

1.1 稀磁半导体的研究概况

1.2 In2O3基稀磁半导体

1.3 本论文的研究目的与研究内容

第二章 样品的制备与表征方法

2.1 薄膜的制备

2.2 检测方法

第三章 Fe、Sn共掺杂In2O3基稀磁半导体薄膜的制备、结构与性能

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 薄膜性能测试结果与讨论

3.4 Fe、Sn共掺杂In2O3薄膜的磁性来源

3.5 本章小结

第四章 Fe、Mg共掺杂In2O3基稀磁半导体薄膜的制备、结构与性能

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 薄膜性能测试结果与讨论

4.4 Fe、Mg共掺杂In2O3薄膜的磁性来源

4.5 本章小结

第五章 Mn、Mg共掺杂In2O3基稀磁半导体薄膜的制备、结构与性能

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 薄膜性能测试结果与讨论

5.4 Mn、Mg共掺杂In2O3薄膜的磁性来源

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

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