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Cr（Co）掺杂Ge（Si）基稀磁半导体的制备与磁性研究

作　者: 胡玉婵
导　师: 侯登录
学　校: 河北师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 稀磁半导体磁控溅射替代位间隙位铁磁性
分类号: O472.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

稀释磁性半导体材料将电子的电荷属性和自旋属性集于同一基体,使之同时具有半导体材料的电荷输运特征和磁性材料的信息存储特征,成为自旋电子装置的最佳候选材料。由于传统的半导体工业是以半导体材料Si为基础,基于Ge/Si基稀磁半导体材料易与当前的半导体工业相兼容,因此引起了众多研究者的广泛关注。目前,Ge/Si基稀磁半导体材料已成为国内外研究的热门课题。尽管在理论和实验上已经取得了一些较好的结果,但是在这类材料中仍存在一些问题(磁性的起源问题,居里温度低于室温等),有待于进一步解决。针对这些问题,本文采用射频、直流交替磁控溅射技术在n型Si(100)衬底上制备了Cr(Co)掺杂的Ge(Si)基稀磁半导体薄膜,结合样品的结构、电学性质及磁学性质,对样品铁磁性的起源进行了初步探讨。1、Cr掺杂的Ge、Si薄膜样品:XRD结果显示所制备的样品均表现为Ge、Si的衍射峰,未发现其他第二相;电学性质表明Cr离子在Ge母体中处于浅受主状态,不仅提供了局域化自旋,同时也是受主中心,提供空穴载流子;XPS测量结果显示Cr离子在Si母体中大部分处于为+2价,含有少量的Cr3+;利用XAFS谱检测,样品中Cr离子在Ge母体中易于占据替代位,而在Si母体中易于占据间隙位;磁性测量结果显示CrxGe1-x样品具有低温铁磁性,磁性源于替代位Cr离子的d态电子与Ge原子的p态电子之间的p-d交换耦合相互作用,而对于CrxSi1-x样品铁磁性的产生有待于进一步实验探究。2、Co:Si薄膜样品:XRD测量显示样品中并没有发现任何杂质相,所有样品均沿Si(311)择优取向生长;利用XPS谱检测,样品中的Co元素处于+2价态;电学性质测量显示,室温下样品的电阻率的大小数量级为104Ω·cm,并且样品的电阻率随Co浓度的增加而增加,表明Co处于深受主态。磁性结果显示样品具有室温铁磁性,但是矫顽力和剩磁特别小,其铁磁性并非来源于样品中的杂质相,推测可能是源于替代位Co离子的3d态电子与Si的2p态电子之间的p-d交换相互作用。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 稀释磁性半导体概述  8-9
  1.2 Ge/Si 基稀磁半导体的研究历史和现状  9-12
  1.3 本论文选题依据和主要工作  12-14
2 样品的制备与表征  14-17
  2.1 样品的制备  14-15
    2.1.1 超高真空多功能对靶磁控溅射镀膜设备简介  14
    2.1.2 基片的清洗过程  14-15
    2.1.3 样品的制备过程  15
  2.2 样品性能表征  15-17
    2.2.1 X 射线衍射(XRD)  15
    2.2.2 X 射线吸收精细结构谱(XAFS)  15
    2.2.3 X 射线光电子能谱(XPS)  15
    2.2.4 扫描探针显微镜(SPM)  15-16
    2.2.5 I-V 特性曲线  16
    2.2.6 物理性能测量系统(PPMS-9)  16-17
3 Cr:Ge 薄膜的结构、电学和磁学性质研究  17-25
  3.1 引言  17
  3.2 样品的制备与表征  17
  3.3 Cr_xGe_(1-x) 薄膜的结果与讨论  17-23
    3.3.1 样品结构和化学价态分析  17-20
    3.3.2 样品的磁学性质  20-21
    3.3.3 样品的电输运性质  21-23
  3.4 本章小结  23-25
4 Cr:Si 薄膜的制备、结构与磁性研究  25-30
  4.1 样品的制备与表征  25
  4.2 Cr_xSi_(1-x) 薄膜的结果与讨论  25-29
    4.2.1 样品的结构分析  25-28
    4.2.2 样品中元素的化学价态  28-29
    4.2.3 样品的磁学性质  29
  4.3 本章小结  29-30
5 Co:Si 薄膜的制备、结构与性能研究  30-36
  5.1 样品的制备与表征  30
  5.2 Co_xSi_(1-x) 薄膜的结果与讨论  30-35
    5.2.1 样品的结构、化学价态及形貌分析  30-32
    5.2.2 样品的输运性质  32-33
    5.2.3 样品的磁学性质  33-35
  5.3 本章小结  35-36
结论  36-38
参考文献  38-46
致谢  46-47
攻读硕士学位期间取得的科研成果清单  47

Cr（Co）掺杂Ge（Si）基稀磁半导体的制备与磁性研究

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