高Co非勻質(zhì)Ti-,1-x-Co-,x-O-,2-鐵磁性半導(dǎo)體的制備、結(jié)構(gòu)與物性研究.pdf

1、磁性半導(dǎo)體材料對于自旋電子學(xué)器件的實現(xiàn)與應(yīng)用具有非常重要的意義。Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>磁性半導(dǎo)體材料本身也因為具有許多優(yōu)良的性能而受到了廣泛的重視。然而，雖然世界上很多課題組在Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>磁性半導(dǎo)體材料的研究方面做了大量的工作，但是到目前為止，仍然具有很多問題沒有解決。首先是關(guān)于Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>磁性半導(dǎo)體鐵磁性的來源，許多課題組傾向于其鐵磁性來自Ti<,l-x>Co<,x>

2、O<,2>磁性半導(dǎo)體的內(nèi)稟鐵磁性，但也有一些課題組的研究表明，其鐵磁性來自TiO<,2>中納米尺寸的Co團簇，也就是說，Co摻雜TiO<,2>得到的并不是本征的磁性半導(dǎo)體；其次是在上述提到的磁性半導(dǎo)體中，過渡族元素的摻雜濃度較低，原子百分比x一般小于10％，這不利于居里溫度的提高，而且其磁化強度也較??；第三，雖然一些課題組獲得了低溫度下較大的磁電阻，但其磁電阻隨溫度升高迅速變小，以至于溫度在50K以上其磁電阻小到可以忽略不計；第四，對于

3、Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>磁性半導(dǎo)體，至今還沒有報道過有關(guān)其磁光克爾效應(yīng)以及光學(xué)性質(zhì)等特性的研究。另外，最近人們認(rèn)識到磁性半導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)體和具有龐磁電阻的錳氧化物體系都有一個共同的特點，那就是其成分存在固有的非均勻性，并以“團簇態(tài)”(clustered states)的形式存在。密度泛函理論計算表明，在Co摻雜TiO<,2>形成的Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>磁性半導(dǎo)體中，Co原子傾向于非均勻分布，且近鄰的Co原子

4、之間有較短的Co-Co原子間距；這種非均勻分布是產(chǎn)生鐵磁性的關(guān)鍵。蒙特卡羅模擬計算表明，在Ga<,l-x>Mn<,x>As磁性半導(dǎo)體中，由于Mn原子之間的庫侖作用，Mn原子的分布也是非均勻的，近鄰的Mn原子之間有聚成團簇的傾向，形成富Mn的Ga<,l-x>Mn<,x>As區(qū)域。應(yīng)該著重指出的是，在這兩個例子中，化合物成分的非均勻性可以看作在Ga<,l-x>Mn<,x>As磁性半導(dǎo)體中存在富Mn的Ga<,l-x>Mn<,x>As區(qū)域或團簇

5、，而不是從主相Ga<,l-x>Mn<,x>As或母體GaAs中析出了第二相(如純金屬Mn團簇，MnAs團簇等)；同樣，在Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>磁性半導(dǎo)體中的成分非均勻性表現(xiàn)為存在富Co的Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>區(qū)和貧Co的Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>區(qū)，而不是從主相Ti<,l-x>Co<,x>O<,2>或母體TiO<,2>中析出了Co團簇第二相?？赡苡捎趽诫s元素的濃度較低，理論預(yù)言的磁性半導(dǎo)體中成

6、分分布的非均勻性，目前還缺乏直接的實驗證據(jù)。對于磁性半導(dǎo)體中這種固有的非均勻性及其對自旋極化和電子輸運的影響，目前人們的認(rèn)識還非常有限，但這一問題的重要性，將會逐漸顯露出來。因此，高鈷含量的非勻質(zhì)Ti<,1-x>Co<,x>O<,2>磁性半導(dǎo)體材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究具有非常重要的學(xué)術(shù)意義和實用價值。 在本論文中，我們使用高真空磁控濺射儀采用交替沉積的方法，在玻璃襯底上制備了系列Ti<,1-X>Co<,x>O<,2>薄膜樣品

7、。方法就是交替沉積非常薄的TiO<,2>層和Co層，在其成膜過程中，由于原子的強熱擴散，從而達到一種亞穩(wěn)的熱平衡態(tài)，形成不分層的宏觀上均勻的含Co量高的Ti<,1-x>Co<,x>O<,2>薄膜；樣品的制備是通過利用磁控濺射儀在水冷玻璃襯底上依次沉積TiO<,2>和Co來實現(xiàn)的。本底真空優(yōu)于3×10<'-5>Pa。通過不同的沉積厚度來改變摻雜量的多少。共制備了以下兩個系列的樣品：第一個系列是固定Co層的厚度為0.6nm，TiO<,2>層

8、的厚度分別為0.5nm、0.8 nm、1.2 nm和2.0 nm；第二個系列為固定Co層的厚度為0.3 nm，TiO<,2>層的厚度分別為0.5 nm、0.8nm、1.2 nm和2.0 nm。這樣相當(dāng)于制備了8種不同Co含量的樣品。每個樣品都是交替沉積60個周期，最后再鍍2 nm的TiO<,2>做為保護層以防止樣品被氧化。這樣可以推算樣品最薄50 nm，最后為158 nm，其中Co含量最高的樣品為TiO<,2>層厚度0.5 nm，Co層

9、厚度0.6 nm，理論計算摻雜原子百分比為76％，與實驗測定的Co元素的原子百分比是一致的。 X射線衍射以及高分辨透射電鏡對樣品的結(jié)構(gòu)進行的表征結(jié)果表明：制備態(tài)的薄膜樣品雖然是一層一層周期地進行沉積，但卻沒有形成多層膜結(jié)構(gòu)，整體是一種非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，屬于亞穩(wěn)態(tài)相。這說明我們所提出的制備高Co含量Ti<,1-x>Co<,x>O<,2>薄膜的學(xué)術(shù)思路是可行的。同時，X射線光電子能譜，電子能量損失譜和激光拉曼光譜等所做的樣品的成分分析結(jié)

10、果同樣表明：非晶薄膜樣品的成分不是非晶Co與非晶TiO<,2>的混合物，而是單一的非晶Ti<,1-x>Co<,x>O<,2>相。因為無論是x射線光電子能譜還是電子能量損失譜都顯示樣品中Co元素的化合價態(tài)不是O價。因此，Co元素必然通過擴散摻入到TiO<,2>晶格中去。另外，Co元素在薄膜中分布的不均勻性也通過Co元素的mapping得到了最直接的證實。 磁性測量顯示所有樣品都具有室溫鐵磁性。其中(TiO<,2> 0.5nm／Co

11、 0.6nm)和(TiO<,2> 0.8nm／Co 0.6nm)兩個樣品在低溫下飽和磁化強度分別達到了524emu／cm<'3>(1.29 μ<,B>／Co)和470 emu／cm<'3>(1.47μB／Co)，矯頑力分別為1100 Oe和1200Oe；樣品在室溫的飽和磁化強度也很大，分別達到了503 emu／cm<'3>(1.24μ<,B>／Co)和430 emu／cm<'3>(1.35μa／Co)，只是矯頑力明顯減小，分別只有30

12、Oe和20 Oe。高的磁矩意味著高的自旋極化度，這對自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用極為有利；輸運特性測量表明樣品的電阻隨著溫度的升高而減小，這是明顯的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特征。另外，室溫時樣品在相對較小的磁場下也表現(xiàn)出了較大的負(fù)磁電阻，在5 K時負(fù)磁電阻更是高達12.5％，在室溫時仍有4.8％的負(fù)磁電阻。磁電阻性質(zhì)對于材料本身在自旋電子學(xué)器件中應(yīng)用是非常重要的。負(fù)磁電阻應(yīng)該是由于自旋相關(guān)的躍遷電導(dǎo)和磁場引起的Anderson局域長度的變化引起的?？紤]

13、到Co的濃度很高，而且在亞納米尺寸上是不均勻的。因此，使得：Efros’s變程躍遷過程的發(fā)生。在很寬的溫度范圍內(nèi)有Rocexp{(T<,O>／T)<'1/2>}關(guān)系成立。樣品還具有非常明顯的克爾旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。室溫時克爾角達到了0.37°。從光的透過率譜上來看，Co的添加產(chǎn)生了相應(yīng)的添加物帶，形成添加物吸收。因此Co濃度越高，光的透過率越低。另外，由于高Co含量導(dǎo)致強吸收，因此難以觀察到明顯的帶邊吸收。因為樣品是非晶態(tài)物質(zhì)，所以測到的PL譜的

14、發(fā)光峰都是饅頭峰。而沒有相對尖銳的發(fā)光峰。 退火以后，Co從亞穩(wěn)的非晶相中大量析出，形成Co顆粒。樣品的磁性隨退火溫度的升高而增強，并接近單質(zhì)Co的水平；磁電阻卻急劇減小，在低溫和室溫都只有0.3％左右。另外，由于大量的Co顆粒形成了滲流網(wǎng)絡(luò)，所以樣品的導(dǎo)電行為轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賹?dǎo)電特征；磁光克爾旋轉(zhuǎn)角度也隨著退火溫度的升高而減?。粯悠芬驗榇罅緾o的析出而變得透明，因此透過率隨著退火溫度的升高而增大?；诖?，很明顯退火使得樣品不再是磁