SiC中空位缺陷的自旋態(tài)與自旋調(diào)控的理論研究.pdf

1、以研究和控制電子的荷電特性及其輸運特性為主要內(nèi)容的微電子學(xué)，使人類進(jìn)入了信息時代。在傳統(tǒng)微電子學(xué)之中，電子只是被當(dāng)作電荷的載體，它的自旋特性一直未被引起重視。二十世紀(jì)八十年代末，巨磁電阻效應(yīng)(GMR，Giantmagnetoresistance)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了磁存儲和磁記錄領(lǐng)域的革命，其重要的應(yīng)用前景極大地激發(fā)了人們對磁性材料輸運的興趣，并在此基礎(chǔ)上逐漸形成了一門以研究、利用和控制自旋極化的電子輸運過程為核心的新興學(xué)科：自旋電子學(xué)(Spi

2、ntronics)。鐵磁性半導(dǎo)體是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，作為一種具有豐富物理內(nèi)涵和重要應(yīng)用前景的新型電子材料，磁性半導(dǎo)體己成為自旋電子學(xué)這個新領(lǐng)域的研究熱點。磁性半導(dǎo)體通常是通過摻雜過渡族金屬元素TM如V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni等進(jìn)入III-V族、II-VI族和IV族化合物或單質(zhì)，如InAs，GaAs，ZnO，Ti02,ZnTe，Ge，Si等得到的。早期研究中鐵磁性半導(dǎo)體材料的居里溫度非常低，一般在10K以下，這極大的限制了鐵

3、磁性半導(dǎo)體材料的實際應(yīng)用。于是尋找具有高居里溫度的磁性半導(dǎo)體材料成為自旋電子學(xué)的研究重點之一。上世紀(jì)90年代，首先在III-V族半導(dǎo)體材料(如GaAs)的研究中取得了巨大的進(jìn)展，但其居里溫度仍低于室溫。之后，對于以氧化物為代表的II-VI族材料和以碳化硅(SIC)為代表的W-W族材料的研究也相繼展開。碳化硅是一種IV-IV族的半導(dǎo)體材料，與當(dāng)前主流的半導(dǎo)體材料硅材料具有相似的電子結(jié)構(gòu)，在制作工藝也相互兼容。但是，碳化硅中過渡金屬的摻雜濃

4、度低，容易出現(xiàn)相分離。磁化強(qiáng)度和居里溫度的提高受到了限制。
　　 本論文從量子力學(xué)第一性原理出發(fā)結(jié)合群論的分析方法，系統(tǒng)研究了碳化硅中空位缺陷的自旋極化、缺陷之間的磁耦合機(jī)制及缺陷的電荷態(tài)對自旋極化的調(diào)控作用。為揭示非摻雜(undoped)碳化硅的磁矩起源提供了理論依據(jù)，同時也為碳化硅鐵磁半導(dǎo)體材料提供新的思路。
　　 本論文主要的研究結(jié)果如下：
　　 (1).立方碳化硅(3C-SiC)中的陽離子空位(Vsi)具

5、有高，低自旋極化的電子態(tài)，不同價念具有不同的自旋極化和自旋耦合方式。-1價的硅空位(Vsi)-1具有S=3/2的自旋態(tài)，且空位之間傾向形成自旋反平行的排列（反鐵磁）；而-2價的硅空化(Vsi）-2則具有S=1的自旋念，傾向形成自旋平行的排列(鐵磁)?？梢酝ㄟ^控制碳化硅中n型摻雜的濃度來調(diào)控其中(Vsi)的電荷念，進(jìn)而調(diào)控其自旋極化和自旋耦合。以氮原子摻雜為例，當(dāng)N:Vsi=1:1時，Vsi處于-1價態(tài)，并具有S=3/2的自旋和反平行的自

6、旋排列；當(dāng)N:Vsi=2:1時，Vsi處于-2價態(tài)，并具有S=1的自旋和平行的自旋排列。這為在3C-SiC中實現(xiàn)鐵磁性提供了新的思路。
　　 (2)理想的4H-SiC（不含空位缺陷）中A1原子替代Si原子的摻雜（p型摻雜）并不會引起缺陷態(tài)電子的自旋極化。但是，當(dāng)其中存在Vsi缺陷時，A1原子摻雜改變了Vsi電荷態(tài)，誘發(fā)了Vsi自旋極化，Vsi磁矩的大小與Vsi和摻雜Al原子的相對位置有關(guān)。這解釋了實驗上發(fā)現(xiàn)的A1摻雜4H-SiC