共掺杂SiC基稀磁半导体的局域结构、磁和电输运性能

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稀磁半导体由于兼具电子电荷和自旋两种特性而成为自旋电子学这个新领域的研究热点,但是有关第三代宽禁带半导体SiC的研究工作在国内外还处于起步阶段,因此选择SiC作为稀磁半导体作为研究对象具有重要的理论意义和潜在的应用前景。采用射频磁控溅射法分别制备了不同浓度的Mn/Co、Mn/Al和Co/N共掺杂SiC稀磁半导体薄膜,利用EDS、XRD、XPS、XAFS、SQUID、HALL、R-T等表征测试方法,系统地研究了SiC稀磁半导体薄膜的局域结构及自旋相关磁、输运特性,获得如下结果:制备态的Mn/Co、Mn/Al和Co/N共掺杂SiC薄膜均为无序的SiC非晶结构,800°C退火后薄膜开始形成3C-SiC晶体结构,在Mn/Co和Co/N共掺杂SiC薄膜中,析出Co2Si化合物,1200°C退火后,3C-SiC结晶性改善,并析出更多的Co2Si化合物。对于Mn/Al共掺杂薄膜,Al掺杂具有强化薄膜形成3C-SiC晶体结构的作用,经1200°C退火后析出Al9Si化合物。在Mn/Co共掺杂SiC薄膜中,Mn和Co分别以Mn2+和Co2+的形式存在。在Mn/Al共掺杂SiC薄膜中,Mn以Mn2+形式存在,而Al在制备态的Mn/Al共掺薄膜中形成部分Al团簇,而掺杂进入SiC晶格中的Al则以Al3+的形式存在。在Co/N共掺杂SiC薄膜中,Co和N分别以Co2+和N3-形式存在。在Mn/Co共掺杂SiC薄膜中,Mn、Co取代3C-SiC的C位,但是Co在1200°C退火态的薄膜中完全以Co2Si化合物析出。在Mn/Al共掺杂SiC薄膜中,Mn取代3C-SiC的C位,而Al在800°C退火的薄膜中取代3C-SiC的C位。在Co/N共掺杂SiC薄膜中,N原子取代3C-SiC晶体的C位,而Co在退火态的薄膜中部分取代3C-SiC的C位,其余Co原子则形成Co2Si化合物。在退火态的Mn/Co、Mn/Al和Co/N共掺杂SiC薄膜不存在金属团簇和金属氧化物。与p、p型(Mn、Co)共掺相比,p、n(Co、N)型共掺由于两种载流子之间的相互吸引作用,有利于抑制第二相化合物的形成。制备态、800°C和1200°C退火态Mn/Co、Mn/Al和Co/N共掺杂SiC薄膜都具有明显的半导体特性。在低温范围内,其载流子输运机制均符合Mott跃迁模型,即lnρ和(T)-1/4保持线性关系,证明载流子是局域化的。在3C-SiC薄膜中,与p型Co掺杂相比,p型Al掺杂具有更明显的载流子调制作用,而N在共掺杂薄膜中呈现n型载流子调制作用。Mn/Co、Mn/Al和Co/N共掺杂SiC薄膜均具有室温铁磁性。薄膜的铁磁性随退火温度和Mn、Al、N的掺杂浓度增加而升高,磁性起源符合束缚磁极子理论模型,室温铁磁性具有内禀性质。与相同浓度过渡金属单掺杂SiC相比,Co、Al和N的引入,明显提高了薄膜的铁磁性。
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