Mn、Co掺杂SiC稀磁半导体薄膜的制备及物性研究

摘要

信息时代的到来，对信息的处理、传输和存储的一体化提出了更高的要求，人们期望得到稀磁半导体为代表的自旋电子器件以满足要求。SiC稀磁半导体既具有优良的半导体性能又有磁性，是潜在自旋电子器件的优良材料，受到了人们广泛的关注。
　　 采用射频磁控溅射共溅射法，制备Mn、Co掺杂的SiC稀磁半导体薄膜。薄膜在4×10-4Pa条件下进行1200℃、800℃，1h的退火处理。薄膜厚度约400nm。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收精细结构技术(XAFS)对薄膜进行表征，通过多功能物理测试系统(PPMS)和荧光光谱仪对薄膜的磁性和光致发光特性进行测试，通过R-T、I-V曲线对薄膜的半导体输运特性进行研究。结果如下：
　　 1、Mn、Co掺杂SiC薄膜在2θ=35.8°处存在衍射峰，这个衍射峰位为3C-SiC的第一强峰，说明薄膜的晶体结构为3C-SiC。Mn、Co的掺杂使SiC晶格发生畸变，SiC衍射峰半高宽增大。随着掺杂浓度的升高，衍射峰从高角度向低角度移动。经过1200℃退火的薄膜，出现了Mn4Si7、CoSi第二相化合物。
　　 2、经XPS，XAFS表征，对于制备态的SiC薄膜和退火后的SiC薄膜，Mn、Co均以离子态掺入薄膜中，且均为+2价。经分析，Mn、Co是以替位形式掺入SiC晶格。退火后的Mn、Co掺杂SiC薄膜Si2p的XPS图谱中也发现了Mn-Si键和Co-Si键，与XRD表征出薄膜中存在第二相的结果相一致，进一步印证了Mn4Si7、CoSi第二相化合物的存在。
　　 3、Mn、Co掺杂SiC薄膜的I-V曲线为线性关系，Mn、Co的掺杂没有形成金属-绝缘颗粒薄膜，证明薄膜中不存在金属团簇，形成的是非均匀体系的薄膜。R-T曲线测试表明，Mn、Co掺杂后，SiC薄膜的电阻率随温度的升高而降低，证明SiC薄膜仍具有半导体属性。
　　 4、磁性测量表明，Mn、Co掺杂SiC薄膜都具有室温铁磁性。在制备态的Mn掺杂SiC薄膜中，随着Mn掺杂量增加，饱和磁化强度有明显增加，当掺杂量达到9at％时，薄膜的饱和磁化强度接近15emu/cm3，随着退火温度升高，薄膜的饱和磁化强度也随之升高。在Co掺杂的薄膜中，随着掺杂量升高，薄膜的饱和磁化强度从1.9emu/cm3升到6.5 emu/cm3，当掺杂量达到10at％后，薄膜的饱和磁化强度又降到2emu/cm3。在不同退火温度薄膜的比较中发现，800℃退火的Co掺杂SiC薄膜饱和磁化强度最强，达12emu/cm3。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 稀磁半导体简介

1.3 SiC稀磁半导体

1.3.1 SiC的概述

1.3.2 SiC的结构

1.3.3 SiC稀磁半导体研究现状

1.3.4 SiC稀磁半导体目前存在的问题

1.4 本文的研究目的及内容

第二章 SiC稀磁半导体薄膜的制备

2.1 引言

2.2 实验材料与实验设备

2.3 实验研究思路

2.4 SiC稀磁半导体薄膜的制备

2.5 本章小结

第三章 Mn掺杂SiC稀磁半导体薄膜的表征与性能

3.1 引言

3.2 Mn掺杂SiC稀磁半导体薄膜的表征

3.2.1 Mn掺杂SiC薄膜的掺杂含量

3.2.2 Mn掺杂SiC薄膜的晶体结构

3.2.3 Mn掺杂SiC薄膜的表面形貌及膜厚

3.2.4 Mn掺杂SiC薄膜的价态分析

3.2.5 Mn掺杂SiC薄膜的X射线吸收精细结构分析

3.3 Mn掺杂SiC稀磁半导体薄膜的磁性

3.3.1 Mn掺杂浓度对SiC薄膜磁性的影响

3.3.2 退火温度对Mn掺杂SiC薄膜磁性的影响

3.4 Mn掺杂SiC稀磁半导体薄膜的输运特性

3.4.1 不同浓度Mn掺杂SiC薄膜的I-V曲线

3.4.2 制备态Mn掺杂SiC薄膜的I-V曲线

3.4.3 不同浓度Mn掺杂SiC薄膜的R-T曲线

3.4.4 制备态Mn掺杂SiC薄膜的R-T曲线

3.5 Mn掺杂SiC稀磁半导体薄膜的缺陷分析

3.5.1 不同浓度Mn掺杂SiC薄膜的光致发光谱

3.5.2 不同退火温度Mn掺杂SiC薄膜的光致发光谱

3.6 本章小结

第四章 Co掺杂SiC稀磁半导体薄膜的表征与性能

4.1 引言

4.2 Co掺杂SiC稀磁半导体薄膜的表征

4.2.1 Co掺杂SiC薄膜的掺杂含量

4.2.2 Co掺杂SiC薄膜的晶体结构

4.2.3 Co掺杂SiC薄膜的表面形貌及膜厚

4.2.4 Co掺杂SiC薄膜的价态分析

4.2.5 Co掺杂SiC薄膜的X射线吸收精细结构分析

4.3 Co掺杂SiC稀磁半导体薄膜的磁性

4.3.1 Co掺杂浓度对SiC薄膜磁性的影响

4.3.2 退火温度对Co掺杂SiC薄膜磁性的影响

4.3.1 Co掺杂SiC薄膜的M-T曲线

4.4 Co掺杂SiC稀磁半导体薄膜的输运特性

4.4.1 不同浓度Co掺杂SiC薄膜的I-V曲线

4.4.2 制备态Co掺杂SiC薄膜的I-V曲线

4.4.3 不同浓度Co掺杂SiC薄膜的R-T曲线

4.4.4 不同退火温度Co掺杂SiC薄膜的R-T曲线

4.5 Co掺杂SiC稀磁半导体薄膜的缺陷分析

4.5.1 不同浓度Co掺杂SiC薄膜的光致发光谱

4.5.1 不同退火温度Co掺杂SiC薄膜的光致发光谱

4.6 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