基于MnGe的磁性半導(dǎo)體的研究.pdf

1、在現(xiàn)代信息技術(shù)中，信息處理是通過(guò)控制電子的電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而信息(數(shù)據(jù))的存儲(chǔ)利用的則是電子的自旋。如果能夠同時(shí)利用電子的電荷和自旋兩種信息載體，就有可能引導(dǎo)出全新的信息處理和存儲(chǔ)模式。目前，一種基于現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)而又將對(duì)其產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊的新材料：稀磁半導(dǎo)體(DMS)，由于其許多新穎的特性，如法拉第旋轉(zhuǎn)，巨磁阻，磁光效應(yīng)等，正在日益激起人們的興趣。當(dāng)前研究稀磁半導(dǎo)體的主要方法是對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行過(guò)渡元素的摻雜。這種摻雜方法可能通過(guò)兩種不同的機(jī)制來(lái)

2、實(shí)現(xiàn)載流子的自旋極化：一是以O(shè)離子為中介，使得其近鄰的摻雜過(guò)渡族磁性離子之間形成雙交換作用，從而得到可以遷移的自旋極化的載流子;二是通過(guò)過(guò)渡族金屬離子的d電子與基體半導(dǎo)體的sp載流子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用，從而使得半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶產(chǎn)生自旋交換劈裂，形成自旋多子和自旋少子，獲得自旋極化的載流子。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)是以Si材料為基礎(chǔ)的，所以基于Ge的磁性半導(dǎo)體容易實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)的集成而具有更廣泛的使用價(jià)值。而且理論預(yù)言

3、基于Ge的磁性半導(dǎo)體的居里溫度可以高達(dá)400K，世界上有不少研究組在研究它。目前為止，這些研究組在Ge中摻雜Mn的磁性半導(dǎo)體方面所取得的結(jié)果很不相同。室溫顯示磁性的Mn<,x>Ge<,1-x>磁性半導(dǎo)體也取得了一些進(jìn)展，但被證昵是MnGe鐵磁性化合物引起的。Y.D.Park等人報(bào)道了居里溫度在25K到116K之間的Mn<,x>Ge<,1-x>磁性半導(dǎo)體，觀測(cè)到反?；魻栃?yīng)并且能通過(guò)外加電壓來(lái)控制樣品的磁性。A.P.Li等人將Park等人

4、測(cè)得的居里溫度解釋為場(chǎng)致效應(yīng)的結(jié)果。無(wú)論如何，利用磁控濺射方法來(lái)制備高濃度摻雜Mn<,x>Ge<,1-x>磁性半導(dǎo)體還沒(méi)有任何進(jìn)展。 我們?cè)谝r底水冷下，通過(guò)磁控濺射制備了高摻雜的納米尺寸的(Ge／Mn)<,60>復(fù)相結(jié)構(gòu)。XRD結(jié)果沒(méi)有任何衍射峰，說(shuō)明樣品為非晶或者多晶。盡管是一層一層周期沉積的，通過(guò)TEM測(cè)量我們發(fā)現(xiàn)，制備態(tài)樣品實(shí)際上是由非常均勻的納米晶組成的，不呈層狀結(jié)構(gòu)．這證明，在制備過(guò)程中，Ge與Mn之間存在非常強(qiáng)的相互

5、擴(kuò)散。由于在水冷條件下沉積，每層Ge和Mn都很薄，二者很容易相互滲透；另一方面，低溫生長(zhǎng)是一個(gè)熱的非平衡過(guò)程，使Mn在Ge中有更高的溶解度，因而能夠提高膜的磁矩。另外，低溫生長(zhǎng)和交替沉積可以阻止晶粒長(zhǎng)大。盡管我們的(Ge／Mn)<,60>的結(jié)構(gòu)和成分在納米尺度上是均勻的，但也有可能會(huì)由于交替沉積而在亞納米尺度上存在一些Mn的聚集區(qū)(并不是Mn的團(tuán)簇)。這種亞納米尺度上的不均勻性也有可能得到Mn<,x>Ge<,l-x>磁性半導(dǎo)體。

6、 磁性測(cè)量表明，我們的樣品都具有磁性。Ge的厚度為0.6rim的樣品在5K下，矯頑力高達(dá)30000e，并且隨著溫度的升高矯頑力迅速變小甚至消失。這個(gè)樣品的磁矩在5K下為319即婦。平均到每個(gè)Mn原子相當(dāng)于1．041aw'Mn：但是理論計(jì)算得到的Mn<,x>Ge<,l-x>磁性半導(dǎo)體中每個(gè)Mn原子的磁矩應(yīng)該是3μB，因此我們猜測(cè)只有三分之一的Mn原子對(duì)樣品的磁性有貢獻(xiàn)。這些與Y D．Park等人的結(jié)果是相同的。 <,x> 樣品的R-T特性

7、顯示出明顯的半導(dǎo)體特性，在研究了lnR和T<'-1/2>忱的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，在低溫25K左右以下，樣品中電子的導(dǎo)電機(jī)理是變程躍遷。然后分析了lnR和1/T的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在50K～90K左右溫度范圍內(nèi)導(dǎo)電機(jī)理是半導(dǎo)體載流子的熱激活模式。而在25K～50K左右范圍內(nèi)我們判斷是兩種導(dǎo)電機(jī)理共同作用的結(jié)果。 同時(shí)樣品表現(xiàn)出明顯的反?；魻栃?yīng)，說(shuō)明樣品是鐵磁性的，而且可以看到樣品的居里溫度大概在50～100K之間，隨著Mn含量的減少其居里溫度