利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)研究在閃鋅礦（Ga，Mn）N中的Mn原子的局域結(jié)構(gòu).pdf

1、近年來，稀磁半導(dǎo)體由于它在自旋電子器件以及自旋半導(dǎo)體電子學(xué)、光電子學(xué)等方面的應(yīng)用前景，引起了理論和實(shí)驗(yàn)界的廣泛重視。基于(Ga,Mn)As材料的鐵磁性的發(fā)現(xiàn)，Zener等人建立了模型對(duì)Mn摻雜GaN材料進(jìn)行了理論上的預(yù)測(cè)，他們發(fā)現(xiàn)這種材料具有超過室溫的居里溫度。大量的實(shí)驗(yàn)表明：這種很有前景的稀磁半導(dǎo)體材料Mn摻雜GaN的居里溫度不但依賴于磁性介質(zhì)的濃度，而且取決于材料中空穴的濃度。因此，同時(shí)具有p型電導(dǎo)性和高濃度的磁性介質(zhì)對(duì)于自旋電子器

2、件是至關(guān)重要的。而與我們的合作單位的研究成果已經(jīng)證實(shí)閃鋅礦型(Ga,Mn)N是一種很有希望在室溫條件下具有鐵磁性的材料。 本文主要利用廣延x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)和x射線衍射(XRD)方法對(duì)于閃鋅礦型(Ga,Mn)N薄膜樣品從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面聯(lián)合進(jìn)行了研究。掠入射熒光EXAFS方法詳細(xì)研究了閃鋅礦型(Ga,Mn)N的局域結(jié)構(gòu)：Mn原子近鄰各原子之間的鍵長、配位數(shù)等定量信息。對(duì)于不同摻雜濃度樣品的理論研究表明高濃度摻雜樣品

3、相對(duì)于低濃度樣品有特殊的第二相出現(xiàn)。這一結(jié)論在隨后的XRD分析結(jié)果中得到了進(jìn)一步證實(shí)。 在進(jìn)行EXAFS方法研究以前我們對(duì)于Mn摻雜濃度分別為2．5％和10％的兩個(gè)薄膜樣品(Ga,Mn)N進(jìn)行了XRD方法的研究。XRD的測(cè)試結(jié)果表明兩個(gè)樣品都是單晶閃鋅礦結(jié)構(gòu)(Ga,Mn)N，而且對(duì)兩個(gè)樣品的搖擺曲線的比較表明Mn摻雜濃度為10％的樣品相對(duì)于Mn摻雜濃度為2．5％的樣品的搖擺曲線有明顯的寬化。隨后我們利用掠入射熒光EXAFS方法來

4、研究閃鋅礦型(Ga,Mn)N的局域結(jié)構(gòu)。在對(duì)Mn摻雜濃度為2．5％的樣品的X射線吸收曲線進(jìn)行了一系列的本底吸收校正、自由原子吸收的擬合與扣除、歸一化等一系列處理之后，最后進(jìn)行了理論擬合。擬合的結(jié)果給出的摻雜原子Mn的定量和定性的局域結(jié)構(gòu)信息表明Mn摻雜基本上處于替代了Ga原子的位置，并且沒有證據(jù)表明有其它相出現(xiàn)。對(duì)于閃鋅礦型GaN來講，Ga原子第一近鄰N的鍵長和配位數(shù)分別為1．93A和4；與閃鋅礦型(Ga,Mn)N樣品中替位式Mn的情況

5、不同——2．0A和3．4。當(dāng)Mn原子替代了Ga原子的位置后Ga(Mn)-N鍵長的增加正好與配位數(shù)的減少相對(duì)應(yīng)。而在對(duì)第一、第二和第三近鄰個(gè)配位層原子擬合結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)Debye-Waller因子隨著配位層數(shù)的增加而增加。聯(lián)系徑向分部函數(shù)可以看出因?yàn)镸n原子的摻入導(dǎo)致配位層原子缺失。這也為高濃度摻雜樣品的分析提供了依據(jù)。在對(duì)Mn摻雜濃度為10％的樣品的X射線吸收曲線的分析過程中我們采用了理論模擬的方法。我們?cè)陂W鋅礦GaN結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上利用理論

6、計(jì)算得到了Mn原子摻雜替位式、間隙式的X射線吸收曲線以及Mn團(tuán)簇的X射線吸收曲線。并且在k空間對(duì)于它們進(jìn)行了多次線性疊加，最終獲得了與實(shí)驗(yàn)所得徑向分部函數(shù)比較接近的模擬結(jié)果。結(jié)果表明，即使在高濃度的Mn摻雜的情況下，大部分Mn原子仍然處于替代Ga原子的狀態(tài)下；而與Mn摻雜濃度為2．5％的樣品不同，間隙式的Mn原子和Mn團(tuán)簇在整個(gè)材料中占據(jù)了相當(dāng)大的比例。而這些占據(jù)了GaN間隙位置的Mn和隨機(jī)分布的Mn團(tuán)簇將會(huì)對(duì)單晶材料產(chǎn)生劇烈的影響。而