CuCrO2基P型稀磁半导体薄膜的结构与性能研究

来源 :上海师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woxiaosong
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近年来,半导体工业正朝着更高的集成化方向发展,使得器件功能更加多元化,而元件尺寸则逐渐减小。这对于多功能材料的制备和性能提出了更高的要求,引起了研究者们的广泛关注。P型氧化物稀磁半导体作为一类多功能材料,具有独特的磁性、磁-电和磁-光效应以及可见光范围的高透射率,因而在自旋电子器件和透明光电器件等领域具有广阔的潜在应用。更为重要的是,据理论预测,借助P型半导体中的空穴作为媒介,磁性离子之间的铁磁耦合更易形成。  在P型透明导电氧化物中,ABO2结构的铜铁矿CuCrO2薄膜具有最高的电导率(220Scm-1),是用以制备P型氧化物稀磁半导体的良好基质。本论文第一部分以其为基质半导体,利用脉冲激光沉积(PLD)法,围绕Mn掺杂CuCrO2薄膜展开工作。通过改变沉积条件和Mn的掺杂浓度,对晶体结构、离子价态、电、光和磁性能进行了较为系统的研究,并对其中的导电机制、光学性质变化机制以及磁性起源与磁交换机制进行了讨论。获得的主要结果为:薄膜具有3R-CuCrO2型铜铁矿单相结构,沿c轴准外延生长,Mn离子以Mn3+和Mn4+的形式取代B位的Cr3+离子。在电学性质方面,PLD法有利于间隙氧原子的插入,从而使薄膜具有较高的空穴浓度;另一方面,Mn3+和Mn4+的共存引起了以空穴为媒介的Mn3+-Mn4+和Mn3+-Cr3+双交换作用,提高了空穴迁移率;因此,与化学溶液沉积法制备的相同成分的Cu(Cr1-xMnx)O2薄膜相比,电导率提高了3个数量级。在光学性质方面,薄膜具有较高的可见光透射率,波长为750nm时的透射率可达70%,比化学溶液沉积法制备的Cu(Cr1-xMnx)O2薄膜提高了5%。可见光透射率、直接光学带隙以及空穴浓度随Mn掺杂浓度的变化具有相同的趋势,符合Burstein-Moss效应。以空穴为媒介的Mn3+-Mn4+和Mn3+-Cr3+双交换作用还使薄膜获得了铁磁性,居里温度接近于室温,可达285K。随着Mn掺杂浓度的增加,Mn3+-Mn4+和Mn3+-Cr3+磁性离子对数目相应增加,因而饱和磁化强度和居里温度逐渐升高。  考虑到已有文献报道,Cu(Cr0.95Mg0.05)O2薄膜的P型电导率明显高于CuCrO2,因此,本论文第二部分利用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法对CuCrO2进行B位的Fe/Mg共掺杂。固定Mg含量为5at%,而通过改变Fe含量,研究薄膜的晶体结构、离子价态、电、光和磁性能的变化规律,并对其中的导电机制、磁性起源及磁交换机制进行了讨论。获得的主要结果为:薄膜具有3R-CuCrO2型铜铁矿单相结构,沿c轴准外延生长。Fe、Mg离子分别以3+和2+的价态取代B位的Cr3+离子,而A位的Cu离子则以Cu+和Cu2+的形式共存。电学性质方面,由于Cu2+离子数目随着Fe的掺杂而减少,因此空穴浓度逐渐增大;另一方面,Fe3+取代Cr3+后,晶格畸变程度增加,降低了空穴迁移率;在以上两方面因素的共同影响下,薄膜的电导率呈现出逐渐增大的趋势。光学性质方面,Sol-Gel法制备的共掺杂薄膜具有相对较高的可见光透射率,波长为750nm时的透射率可达50~60%,比文献报道的溅射法制备的Cu(Cr0.95Mg0.05)O2薄膜提高了约20~30%。磁学性质方面,以空穴为媒介的Fe3+-Fe3+超交换作用使薄膜获得了室温铁磁性。随着Fe掺杂浓度的增加,Fe3+-Fe3+磁性离子对数目相应增加,同时空穴浓度也逐渐增大,因此饱和磁化强度逐渐增强。  综上所述,利用PLD法制备的Cu(Cr1-xMnx)O2系列薄膜表现出比较均衡的电、光、磁特性,尤其是X=15at%的薄膜,同时拥有最高的电导率、饱和磁化强度、居里温度和可见光透射率;而利用Sol-Gel法制备的Cu(Cr0.95-xFexMg0.05)O2系列薄膜,也具有相对较高的可见光透射率,铁磁居里温度可提高至室温以上。作为一类新型的P型透明稀磁半导体材料,这些薄膜的研究数据将为多功能器件的开发应用提供具有一定科学价值的实验参考。
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