鈷-鉻摻雜的鍺基稀磁半導(dǎo)體的制備研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是當(dāng)今凝聚態(tài)物理、新材料和信息科學(xué)等諸多領(lǐng)域共同關(guān)注的研究熱點(diǎn)。稀釋磁性半導(dǎo)體材料則被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的主導(dǎo)材料。稀磁半導(dǎo)體是指利用V,Cr,Mn,Fe,Co和Ni等磁性離子部分取代半導(dǎo)體材料中的非磁性陽離子而形成的新型半導(dǎo)體材料。稀磁半導(dǎo)體能夠同時利用載流子的電荷自由度和自旋態(tài)自由度,從而使得高密度半導(dǎo)體集成電路、非易失性存儲器等器件的實(shí)現(xiàn)成為可能。鍺基稀磁半導(dǎo)體由于其與現(xiàn)在成熟的Si基半導(dǎo)體工藝相兼容,因而在

2、理論研究和實(shí)驗(yàn)操作方面?zhèn)涫荜P(guān)注。
　　 本文采用鍺酸根離子溶液來合成鈷/鉻摻雜的鍺試樣。本文在大量工藝探索的基礎(chǔ)上,采用濕化學(xué)-氫氣還原法和濕化學(xué).物理蒸發(fā)法制備了鈷/鉻摻雜的鍺基稀磁半導(dǎo)體試樣。對試樣的制備條件、表面形貌、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究表征。結(jié)合樣品的結(jié)構(gòu)分析和電學(xué)特質(zhì),對樣品的室溫磁性來源進(jìn)行了探討和分析。實(shí)驗(yàn)和主要結(jié)論如下:
　　 1)首先探索了制備鈷/鉻摻雜鍺試樣的工藝過程。我們采用濕化學(xué)-氫氣還原法制備了

3、Ge1-xCox(X=0.75,3.2和11.5)稀磁半導(dǎo)體膜材料。XRD,HRTEM和拉曼光譜測試表明:當(dāng)鈷含量小于3.2％時,Ge1-xCox膜材料由單一立方鍺晶體組成。當(dāng)鈷摻雜量為11.5%時,試樣中會存在不能被XRD測試觀察到的微小第二相或富摻雜區(qū)域。在室溫條件下,Ge1-xCox薄膜材料為P型半導(dǎo)體,并且具有較高的空穴濃度。膜試樣具有半導(dǎo)體導(dǎo)電特性,并且摻雜量為3.2%和11.5%的膜試樣分別具有最低和最高的電阻。M-H曲線表

4、明鈷摻雜量為0.75%和11.5%的膜試樣分別具有超順磁性和限制超順磁性。室溫條件下的磁滯回線表明Ge96.8Co3.2樣品具有室溫鐵磁性,并且鐵磁性來源于局部的、小范圍的稀磁半導(dǎo)體本身。
　　 2)溶膠凝膠-氫氣還原法和水熱-氫氣還原法都具有合成鈷/鉻摻雜的鍺稀磁半導(dǎo)體材料的潛力。溶膠凝膠-氫氣還原法合成試樣具有不規(guī)則的形貌。XRD測試表明:摻雜量小于1%的試樣中沒有形成第二相,摻雜量為2.5%試樣中存在著CoGe第二相。磁性

5、能測試表明摻雜量為1%的試樣具有室溫鐵磁性。XRD和拉曼光譜測試表明:水熱-氫氣還原法能夠制備具有單一立方結(jié)構(gòu)試樣,并且鈷原子已經(jīng)摻雜進(jìn)入鍺晶格。
　　 3)我們采用乙酸鈷、硝酸鈷和乙酸鉻作為鈷/鉻源制備了具有名義摻雜量為1%,3%和6%的鈷/鉻摻雜的鍺基稀磁半導(dǎo)體。我們采用濕化學(xué)-物理蒸發(fā)法制備了Ge1-xCrx和Ge1-xCox膜材料,并研究了不同鈷/鉻摻雜量對樣品的晶體結(jié)構(gòu)、光電性能和磁性能的影響,最終得到最佳實(shí)驗(yàn)方案。G

6、e1-xCox薄膜材料都是由面心立方結(jié)構(gòu)的鍺組成。HRTEM和拉曼光譜測試表明鈷原子已經(jīng)摻雜進(jìn)入鍺晶格。隨著摻雜量的增加,少量的鈷原子會出現(xiàn)在鍺晶格的間隙位置。制備的Ge1-xCox試樣具有可見光致發(fā)光(PL)現(xiàn)象,并且膜試樣的PL峰位置和強(qiáng)度都不隨摻雜濃度的變化而變化。霍爾效應(yīng)測試表明,Ge1-xCox薄膜為P型半導(dǎo)體,鈷摻雜量為0.11%的試樣具有最小的載流子濃度、電阻和最大的載流子遷移率。Ge1-xCox薄膜材料為P型半導(dǎo)體并且呈