CuCrO2基P型稀磁半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、近年來，半導(dǎo)體工業(yè)正朝著更高的集成化方向發(fā)展，使得器件功能更加多元化，而元件尺寸則逐漸減小。這對于多功能材料的制備和性能提出了更高的要求，引起了研究者們的廣泛關(guān)注。P型氧化物稀磁半導(dǎo)體作為一類多功能材料，具有獨特的磁性、磁-電和磁-光效應(yīng)以及可見光范圍的高透射率，因而在自旋電子器件和透明光電器件等領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用。更為重要的是，據(jù)理論預(yù)測，借助P型半導(dǎo)體中的空穴作為媒介，磁性離子之間的鐵磁耦合更易形成。
　　在P型透明導(dǎo)電氧

2、化物中，ABO2結(jié)構(gòu)的銅鐵礦CuCrO2薄膜具有最高的電導(dǎo)率(220Scm-1)，是用以制備P型氧化物稀磁半導(dǎo)體的良好基質(zhì)。本論文第一部分以其為基質(zhì)半導(dǎo)體，利用脈沖激光沉積(PLD)法，圍繞Mn摻雜CuCrO2薄膜展開工作。通過改變沉積條件和Mn的摻雜濃度，對晶體結(jié)構(gòu)、離子價態(tài)、電、光和磁性能進行了較為系統(tǒng)的研究，并對其中的導(dǎo)電機制、光學(xué)性質(zhì)變化機制以及磁性起源與磁交換機制進行了討論。獲得的主要結(jié)果為:薄膜具有3R-CuCrO2型銅鐵礦

3、單相結(jié)構(gòu)，沿c軸準(zhǔn)外延生長，Mn離子以Mn3+和Mn4+的形式取代B位的Cr3+離子。在電學(xué)性質(zhì)方面，PLD法有利于間隙氧原子的插入，從而使薄膜具有較高的空穴濃度;另一方面，Mn3+和Mn4+的共存引起了以空穴為媒介的Mn3+-Mn4+和Mn3+-Cr3+雙交換作用，提高了空穴遷移率;因此，與化學(xué)溶液沉積法制備的相同成分的Cu(Cr1-xMnx)O2薄膜相比，電導(dǎo)率提高了3個數(shù)量級。在光學(xué)性質(zhì)方面，薄膜具有較高的可見光透射率，波長為75

4、0nm時的透射率可達70％，比化學(xué)溶液沉積法制備的Cu(Cr1-xMnx)O2薄膜提高了5％?？梢姽馔干渎?、直接光學(xué)帶隙以及空穴濃度隨Mn摻雜濃度的變化具有相同的趨勢，符合Burstein-Moss效應(yīng)。以空穴為媒介的Mn3+-Mn4+和Mn3+-Cr3+雙交換作用還使薄膜獲得了鐵磁性，居里溫度接近于室溫，可達285K。隨著Mn摻雜濃度的增加，Mn3+-Mn4+和Mn3+-Cr3+磁性離子對數(shù)目相應(yīng)增加，因而飽和磁化強度和居里溫度逐漸升

5、高。
　　考慮到已有文獻報道，Cu(Cr0.95Mg0.05)O2薄膜的P型電導(dǎo)率明顯高于CuCrO2，因此，本論文第二部分利用溶膠-凝膠（Sol-Gel）法對CuCrO2進行B位的Fe/Mg共摻雜。固定Mg含量為5at％，而通過改變Fe含量，研究薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、離子價態(tài)、電、光和磁性能的變化規(guī)律，并對其中的導(dǎo)電機制、磁性起源及磁交換機制進行了討論。獲得的主要結(jié)果為:薄膜具有3R-CuCrO2型銅鐵礦單相結(jié)構(gòu)，沿c軸準(zhǔn)外延生長。F

6、e、Mg離子分別以3+和2+的價態(tài)取代B位的Cr3+離子，而A位的Cu離子則以Cu+和Cu2+的形式共存。電學(xué)性質(zhì)方面，由于Cu2+離子數(shù)目隨著Fe的摻雜而減少，因此空穴濃度逐漸增大;另一方面，F(xiàn)e3+取代Cr3+后，晶格畸變程度增加，降低了空穴遷移率;在以上兩方面因素的共同影響下，薄膜的電導(dǎo)率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。光學(xué)性質(zhì)方面，Sol-Gel法制備的共摻雜薄膜具有相對較高的可見光透射率，波長為750nm時的透射率可達50～60％，比文

7、獻報道的濺射法制備的Cu(Cr0.95Mg0.05)O2薄膜提高了約20～30％。磁學(xué)性質(zhì)方面，以空穴為媒介的Fe3+-Fe3+超交換作用使薄膜獲得了室溫鐵磁性。隨著Fe摻雜濃度的增加，F(xiàn)e3+-Fe3+磁性離子對數(shù)目相應(yīng)增加，同時空穴濃度也逐漸增大，因此飽和磁化強度逐漸增強。
　　綜上所述，利用PLD法制備的Cu(Cr1-xMnx)O2系列薄膜表現(xiàn)出比較均衡的電、光、磁特性，尤其是X=15at％的薄膜，同時擁有最高的電導(dǎo)率、飽和