與Si相容的自旋電子學(xué)材料的研究：磁性半導(dǎo)體.pdf

1、自旋電子學(xué)同時(shí)利用了電子的電荷和自旋兩種屬性，在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了電與磁的耦合，是新一代的電子學(xué)。自旋電子學(xué)材料是當(dāng)前自旋電子學(xué)的關(guān)鍵問題，Si是現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)材料與Si半導(dǎo)體工藝的融合將會極大的促進(jìn)半導(dǎo)體一自旋電子學(xué)的發(fā)展。因此，探索與Si相容的自旋電子學(xué)材料具有重要意義。論文著眼于與Si相容，以(Zn，Cr)S、(Ga，Mn)P和MnxSi1-x為主要研究對象，采用基于密度泛函的第一性原理方法計(jì)算探討了鋅氧族化合物、

2、III-IV和IV族磁性半導(dǎo)體的摻雜磁性以及磁性產(chǎn)生機(jī)理。此外，論文還探討了新型寬禁帶絕緣體氧化物ZrO2和HfO2基磁性半導(dǎo)體的摻雜磁性以及這類材料向半導(dǎo)體中的自旋注入。 在第二章和第三章中，論文以(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P為主要研究對象系統(tǒng)探討了鋅氧族化合物和III-IV磁性半導(dǎo)體的摻雜磁性和熱力學(xué)性質(zhì)。研究表明，過渡金屬原子傾向于在半導(dǎo)體基體中平面團(tuán)聚形成delta摻雜，delta摻雜構(gòu)型往往具有增強(qiáng)的二維磁性。論

3、文系統(tǒng)考察了(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P的單層、半層、雙層delta摻雜和一些接近delta摻雜構(gòu)型的構(gòu)型(指原子通過短距遷移可以轉(zhuǎn)化為delta摻雜構(gòu)型的構(gòu)型)的磁性及能量狀態(tài)。研究表明，(Zn，Cr)S的所有研究的摻雜構(gòu)型都具有半金屬鐵磁性；(Ga，Mn)P的單層和半層delta摻雜構(gòu)型具有半金屬鐵磁性，而雙層為反鐵磁性。論文還考察了不同晶面上的delta摻雜。研究表明，在(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P的高對稱(001)面

4、上的delta摻雜構(gòu)型往往具有增強(qiáng)的二維半金屬鐵磁性(更高的鐵磁穩(wěn)定性和理論上保持半金屬鐵磁性的使用溫度)，而在低對稱的(111)和(110)面上則失去鐵磁性或鐵磁性受到削弱。摻雜構(gòu)型對磁性半導(dǎo)體磁性的影響可以采用配位場理論和Jahn-Teller理論進(jìn)行解釋。 在第四章中，論文系統(tǒng)探討了MnxSi1-x磁性半導(dǎo)體的不同delta摻雜構(gòu)型的磁性。研究表明，在Si的高對稱(001)面上delta摻雜比在低對稱(111)和(110)

5、面上的鐵磁性更穩(wěn)定；在Si(001)面上低濃度單層delta摻雜具有半金屬鐵磁性，而半層和多層則失去半金屬性質(zhì)。MnxSi1-x磁性半導(dǎo)體的磁性起源可以用配位場理論描述。與(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P不同，delta摻雜使MnxSi1-x磁性半導(dǎo)體的鐵磁穩(wěn)定性提高但保持半金屬鐵磁性的使用溫度降低。此外，論文還探討了Si1-xGex合金和SiC的摻雜磁性。 在第五章中，論文探討了新型寬禁帶絕緣體氧化物ZrO2和HfO2基磁性

6、半導(dǎo)體的摻雜磁性和這類材料向半導(dǎo)體的自旋注入。研究表明，熱電子彈道注入機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)與Si相容性較差的磁性半導(dǎo)體或鐵磁體向Si的自旋注入。論文探討了(Zr，Mn)O2和(Hf，Mn)O2的特殊電子結(jié)構(gòu)在熱電子彈道注入機(jī)制中的應(yīng)用。論文指出采用這兩種材料作為自旋過濾材料不但能在費(fèi)米能級處實(shí)現(xiàn)100％自旋極化注入，而且能在很大范圍的熱電子能級上實(shí)現(xiàn)100％自旋極化注入。論文觀察到注入到半導(dǎo)體中的電子自旋方向可以通過調(diào)整熱電子能量進(jìn)行調(diào)制，這有

7、可能在電子自旋方向控制方面產(chǎn)生應(yīng)用。 論文在各章中還探討了幾種常見3d過渡金屬原子在ZnS、GaP、Si和ZrO2的(001)面上delta摻雜的磁性。研究表明，摻雜原子對摻雜磁性有決定性影響。 論文在第二章中還探討了基體晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力對摻雜磁性的影響。研究表明，基體晶體結(jié)構(gòu)對稱性越高，體系的鐵磁穩(wěn)定性越高；一般來說，應(yīng)力對磁性半導(dǎo)體磁性影響很大。但研究表明，在很大范圍內(nèi)應(yīng)力對立方(Zn，Cr)S的穩(wěn)定性和半金屬性質(zhì)影響

8、不大。此外，論文在第二章中還探討了鋅硫族化合物的delta摻雜的極端情況一立方過渡金屬硫化物的磁性。論文指出立方VS、VSe、VTe、CrS、CrSe和CrTe等具有潛在的自旋電子學(xué)應(yīng)用前景。 論文在第二章和第三章中還探討了一些與Si具有較好相容性的鋅硫族化合物和III-IV半導(dǎo)體及其合金的delta摻雜磁性。研究表明，立方(Zn，Cr)Se、(Ga，Mn)As、(Al，Mn)P、(Al，Mn)As、(Ga，Mn)PxAs1-x

9、和(Ga1-xAlx，Mn)P等等都具有穩(wěn)定的半金屬鐵磁性。此外，論文還探討了一些與Si相容性較差的半導(dǎo)體材料的delta摻雜磁性，如立方(Zn，Cr)o、(Zn，Cr)Te、(Ga，Mn)Sb、(Al，Mn)Sb、(In，Mn)Sb、(In，V)N和(In，Cr)N等等都具有穩(wěn)定的鐵磁性。研究表明，這些材料都具有潛在的自旋電子學(xué)應(yīng)用前景。 論文指出，delta摻雜有望成為解決磁性半導(dǎo)體中摻雜過渡金屬原子的團(tuán)聚控制問題的方法之一