Ge/Si基稀磁半导体薄膜的结构及磁性研究

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随着人们对信息的需求量越来越大,传统的信息传输和存储技术已不能满足人们的需要,此时,集电子的电荷和自旋于一体的稀释磁性半导体材料,成为人们最感兴趣的研究课题之一。许多研究小组建立模型,从理论上计算居里温度,研究其磁性机制,实验上也同步发展,制备出具有不同居里温度的铁磁性半导体材料。理论与实验结合发展,使得关于稀释磁性半导体材料的研究成果日新月异。   本文工作采用磁控溅射和离子注入两种制备方法,研究了共掺杂薄膜的结构及磁学特性等。先用磁控溅射制备了Ge1-xMnx薄膜,再通过金属蒸发真空弧技术分别进行Fe离子和Co离子注入,得到Fe、Mn共掺和Co、Mn共掺的Ge基薄膜。XRD结构检测发现Ge1-xMnx薄膜是Ge的立方晶格结构,Co离子注入后仍然是Ge立方结构,而且能有效的抑制第二相的形成;Fe离子注入后Ge1-xMnx薄膜变为了无定形结构。不同元素的共掺杂对样品的结构影响不同。XPS谱分析得Ge1-xMnx薄膜中Mn元素以Mn0和Mn3O4形式存在,对样品的铁磁性有贡献。Co离子注入后的样品中,Mn原子优于处于替代位;Fe离子注入后的共掺杂样品中Fe和Mn元素均不处于Ge的替代位。Co离子注入后样品的铁磁性有明显降低,Fe离子注入后样品的磁化强度远大于Co离子注入的样品。Fe、Mn共掺Ge基薄膜为稀磁半导体的研究开辟了更广阔的研究领域。   用金属蒸发真空弧技术和考夫曼技术共注入Co离子和N离子到单晶n-Si(100)基底,制备Co、N共掺杂的Si基薄膜。XRD检测注入后样品中没有发现第二相形成,是多晶Si结构。在800℃下N2气氛围快速热退火5min,没有改变样品的晶格结构。XPS谱表明退火后样品中注入的Co离子以Co0形式存在。随着注入剂量的增大,磁化强度减弱;退火后样品的磁化强度也减弱。是由于Co原子聚集形成了超顺磁性的Co纳米颗粒,减弱了样品的铁磁性。
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