论文部分内容阅读
近年来在电子的输运过程中操作和利用电子的另一内禀特性-“自旋”开始受到人们的重视并由此在凝聚态物理中产生了一门新的前沿学科-自旋电子学(spintronics)。自旋电子学由于其丰富的物理内容和巨大的应用前景,引起了物理学界和材料学界的广泛兴趣。由于金属和半导体电阻率差距太大,利用铁磁金属做为自旋极化电流注入源的方法在半导体中得到的自旋极化率通常很低,小于1%。为了解决金属和半导体电阻率适配问题,稀释磁性半导体被认为是一种有效的自选极化注入源材料。硅是近代半导体工业的基础,有着成熟的加工处理工艺。如果能在硅中制备高居里温度的稀释磁性半导体材料将有重要的意义。因此硅基稀释磁性半导体的制备引起世人的广泛注意。自从2003年开始,虽然不断有报道成功制备了高居里温度的硅基稀磁半导体,但是各个小组的结果并不一致,居里温度也从70 K到高过400 K不等。而且硅基稀磁半导体的磁性机制也没有统一的论断,磁性是以空穴为媒介的或者是替代为Mn离子和间隙位Mn离子相互作用导致的还是由其他因素引起的,到目前为止还没有很好的理论解释,仍是理论研究的热点。基于此研究背景,本文系统地研究了多晶Si1-xMnx:B薄膜的结构、电性和磁性,主要内容有:
1.利用磁控溅射和后续的快速热处理过程制备了一系列的Mn、B共掺的多晶Si1-xMnx:B薄膜。磁性研究发现,薄膜有两个铁磁相。其中低温铁磁相居里温度在50 K左右,是由X光衍射谱中观察到的杂相Mn4Si7引起的。高温铁磁相居里温度为250 K,是因为Mn离子替代进入了Si晶格导致的。根据霍尔效应发现样品是p型的。杂相Mn4Si7对样品的空穴浓度有影响。相同有效Mn掺杂量的两系列样品中,空穴浓度大的样品饱和磁化强度更强,这证明在(Mn,Si)体系中,磁性是以空穴为媒介的。
2.利用等离子体化学气相沉积技术对多晶Si1-xMnx:B薄膜样品进行了氢化处理。氢化处理后没有观测到样品的微结构变化,而样品的高温饱和磁化强度却减小了。对氢化前后样品的电性分析发现,氢化后由于B和H结合,降低了受主能级的浓度,导致样品的空穴浓度降低。可见,样品的高温饱和磁化强度和样品中空穴浓度有着密切的关系。这和前面实验结果是一致的,也符合Dietl的平均场理论模型,再次肯定了在(Mn,Si)体系中,磁性是以空穴为媒介的。