铁掺杂氧化铟薄膜的制备及磁性和输运性质研究

摘要

微电子学(Microelectronics)是电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。微电子学是以实现电路和系统的集成为目的的。微电子学是一门综合性很强的边缘科学，其中包括了半导体器件物理，集成电路工艺和集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容；涉及了固体物理学、量子力学、热力学和统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试和加工等多个领域。在传统微电子学之中，人们只是简单地考虑了电子的电荷特性，并没有考虑电子的自旋特性。随着器件集成化程度的提高，微电子器件出现了一系列新的问题，例如器件进入纳米尺度及由单位能耗上升引起的热损耗等。同时，在纳米尺度下由于量子限域效应起主导作用，电子的能带理论将不能完全解释纳米尺度下出现的新现象。所以，人们开始关注电子的另一个特性---自旋，提出研发一种能同时利用电子的两个特性（电荷性和自旋性）的器件，该类器件具有运算速度快、尺寸小、能耗低、断电信息不消失及可用于量子计算等许多优点。这个研究领域就是自旋电子学，是近些年来迅速发展的一个研究方向。这些性能优异的自旋电子器件的制备首先需要一种新材料，这种材料要既具有半导体的带隙又具有磁性材料的自旋子带劈裂。由此可以看出，要实现自旋电子学的应用，具有室温铁磁性和高自旋极化度的铁磁性半导体材料的制备是非常关键的。上世纪八十年代末，Fert和Grünberg几乎同时发现了巨磁阻抗效应(GMR，Giant Magneto-Resistance)，引发了磁存储和磁记录领域的革命，使九十年代计算机的应用获得了腾飞。从此之后，自旋电子学成为了科学界研究的热点。
　　 自旋电子学是一门结合磁学与微电子学的交叉学科，以研究电子的自旋极化输运特性以及基于这些特性而设计、开发新的电子器件为主要内容，其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。
　　 典型的铁磁性半导体的制备方法是在现有的半导体材料中掺杂过渡金属元素，使掺杂元素以替位掺杂的形式进入半导体的晶格，磁性离子之间会有铁磁耦合作用，这种作用使半导体材料在原有带隙的基础上产生铁磁性。20世纪90年代，Ohno等人成功制备了Mn掺杂GaAs，该种材料居里温度最高只能达到170K，远低于室温，无法满足器件的应用需求。2000年，T．Dietl等人基于传统的Zener模型通过理论计算预言了Mn掺杂的宽禁带半导体GaN及Zn0会有室温铁磁性，这一报道立刻使人们对于氧化物基铁磁性半导体的研究充满了热情，实验和理论工作陆续开展起来。研究最多的是Zn0和Ti02体系，但各个小组的研究结果却各不相同甚至相互矛盾，所以关于过渡金属掺杂的氧化物体系中的铁磁性是否为本征的问题仍然没有定论。然而，对于过渡金属掺杂的氧化铟体系而言，大部分文献报道了室温铁磁性的存在，部分还报道了反常霍尔效应等独特性质的存在，并且铁元素在氧化铟基体中的溶解度很高，可以达到20％。此外，氧化铟还具有优良的光电特性及气敏性质，所以我们选择铁掺杂氧化铟作为本论文的研究对象，成功制备了结构优良的样品并探讨了样品的铁磁性和输运性质。
　　 本论文详细介绍了利用脉冲激光沉积设备在YSZ(100)(110)(111)方向的衬底上生长外延铁掺杂氧化铟薄膜，并且对样品的磁性和输运性质进行了讨论。实验中使用的靶材为固相反应烧结法制备。样品制备过程中，利用RHEED对样品表面进行了表征，制备完成后，又对样品进行了XRD和AFM测量，以此来确认实验得到了品质良好的外延样品。此外，利用SQUID测量了样品不同温度下的M-H曲线，发现样品具有室温铁磁性。同时，还使用范德堡四端法在SQUID系统中对样品的输运性质进行了测量，发现了反常霍尔效应的存在，该效应在室温下也存在，这充分说明了样品室温铁磁性的本征性。分析数据后，得出了样品的载流子浓度，迁移率图像和样品的电阻随温度的变化曲线，并对曲线特征进行了说明。
　　 综上所述，本文利用PLD生长了外延的铁掺杂氧化铟薄膜，对样品进行的RHEED，XRD，AFM测量均证明了这一点。实验证明该材料具有室温铁磁性，不同样品的各向异性的表现也不同。通过输运性质的测量发现了室温反常霍尔效应，进一步说明了样品具有本征铁磁性。对样品的载流子浓度，载流子迁移率，电阻随温度变化的曲线进行了具体的分析，发现了多种载流子存在的可能。