3d過渡金屬摻雜In2O3稀磁半導(dǎo)體材料的制備與研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體材料具有可以同時利用電子電荷和電子自旋的屬性，表現(xiàn)出優(yōu)異的磁、磁光、磁電性能，使其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，已成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。In2O3是一種透明的，寬禁帶(3.75 e、V)半導(dǎo)體，具有立方方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，對過渡金屬離子有較大的固熔量，可有效避免二次雜質(zhì)相的產(chǎn)生，形成均相結(jié)構(gòu)的稀磁半導(dǎo)體。因此，過渡金屬摻雜In2O3稀磁半導(dǎo)體的研究備受人們的關(guān)注。本論文采用固相反應(yīng)、真空退火技術(shù)和脈沖激光沉積方法在：In2O3

2、半導(dǎo)體中摻入了Fe、Mn和Cr過渡金屬元素，通過分析樣品的結(jié)構(gòu)、磁性和電子輸運(yùn)特性等之間的關(guān)系，對樣品的鐵磁性來源和磁性機(jī)制進(jìn)行了探討。主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)采用固態(tài)反應(yīng)方法和真空退火技術(shù)制備了(In1-xdFex)2O3(x=0.02，0,05，0.2)粉末。系統(tǒng)研究了Fe含量和真空退火溫度對(In1-xFex)2O3粉末結(jié)構(gòu)和磁性的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)e離子進(jìn)入到In2O3的立方晶格取代了111離子，樣品為均勻的單相

3、結(jié)構(gòu)，樣品表現(xiàn)出明顯的鐵磁性，居里溫度高達(dá)793 K，F(xiàn)e含量和真空退火溫度對樣品的鐵磁性有重要影響。一系列結(jié)構(gòu)和磁性測量結(jié)果表明，(In1-xFe-x2O3粉末的鐵磁性不是來源于Fe團(tuán)簇或者Fe的氧化物二次相，而是和氧空位密切相關(guān)。
　　 (2)采用脈沖激光沉積技術(shù)在Al2O3(000 1)基片上制各了Fe摻雜In2O3薄膜，系統(tǒng)研究了Fe含量和氧氣分壓對薄膜的結(jié)構(gòu)、組成、磁性和輸運(yùn)性質(zhì)的影響。X射線衍射表明(Inl-xFex

4、)2O3薄膜為均勻的單相立方方鐵錳礦In2。3結(jié)構(gòu)，以In2O3(222)擇優(yōu)取向，且Fe已取代了In2O3晶格中的In；X射線光電子能譜表明當(dāng)氧氣分壓較低時，薄膜中Fe以Fe2+和Fe3+離子的形式存在，當(dāng)氧氣分壓較高時Fe以Fe3+離子的形式存在。(1n1-xFe2O3薄膜表現(xiàn)出明顯的室溫鐵磁性，其導(dǎo)電類型為n型。薄膜的載流子濃度與Fe含量和氧氣分壓密切相關(guān)，并且大部分薄膜處于金屬區(qū)，一部分薄膜處于絕緣區(qū)。進(jìn)一步分析表明，處于金屬區(qū)

5、的薄膜，其鐵磁性與載流子濃度密切相關(guān)，載流子濃度越高，磁性越大，鐵磁性來源符合載流子誘導(dǎo)機(jī)制；處于絕緣區(qū)的薄膜，其載流子濃度很小，在低溫時的輸運(yùn)性質(zhì)符合Mott的變程跳躍機(jī)制，鐵磁性來源符合束縛磁極子理論，磁光效應(yīng)測量結(jié)果進(jìn)一步說明(In1-xFex)2O3薄膜的鐵磁性是本征的，來源于Fe取代了Tn的均相結(jié)構(gòu)。
　　 (3)采用真空退火技術(shù)和脈沖激光沉積技術(shù)制各了Sn和Cu共摻雜的(In0.92Fe0.05Sn0.03)2O3和

6、(In0.92Fe0.05CunO3)2O3粉末和薄膜，研究了共摻雜劑Sn和Cu樣品結(jié)構(gòu)、磁性與輸運(yùn)等性質(zhì)的不同影響。雖然X射線衍射測量結(jié)果表明(In0.92Fe0.05Sn0.03)203和(In0.92Fe0.05Cu0，03)203粉末為均勻的單相結(jié)構(gòu)，但是場冷卻.零場冷卻測量結(jié)果表明樣品的室溫鐵磁性都來源于樣品中的Fe304納米顆粒。然而，(In0.92Fe0.05Sn0.03)2O3和(In0.92Fe0 05Cu0.03)2

7、O3薄膜的鐵磁性來源明顯不同。(In0.092Fe0.05Sn0.03)2O3薄膜中Fe.Sn易于形成非補(bǔ)償性p—n對，而p-n對受主和施主離子之間存在靜電作用，很容易同時取代兩個近鄰位的陽離子，使整個體系能量降低，阻止了Fe離子的化合和團(tuán)聚。同時各種表征手段也都沒有檢測到任何二次相，因此我們認(rèn)為(In0.92Fe0.05Sn0.0.)2O3薄膜的鐵磁性是本征的，來源于Fe和Sn取代了In的均相結(jié)構(gòu)；而且Sn的摻入可以有效增大體系的載流

8、子濃度，其磁性來源于載流子誘導(dǎo)機(jī)制。對于Fe-Cu共摻雜的(In0.92Fe0.05Cu0.03)2O3薄膜中有金屬Fe團(tuán)簇生成，這是稀磁半導(dǎo)體所不期望的。
　　 (4)采用脈沖激光沉積技術(shù)在Al2O3(000 1)基片上成功制各了Mn和Cr摻雜的In203薄膜。Mn摻雜In2O3薄膜的鐵磁性表現(xiàn)出可逆性，通過控制摻入薄膜中Sn的含量控制其載流子濃度，薄膜的鐵磁性可在“開’’和“關(guān)”之間轉(zhuǎn)換。額外載流子的存在對Cr摻雜In2O3