鈷-鉻摻雜的鍺基稀磁半導體的制備研究.pdf

1、自旋電子學是當今凝聚態(tài)物理、新材料和信息科學等諸多領域共同關注的研究熱點。稀釋磁性半導體材料則被認為是最有可能實現自旋電子器件的主導材料。稀磁半導體是指利用V,Cr,Mn,Fe,Co和Ni等磁性離子部分取代半導體材料中的非磁性陽離子而形成的新型半導體材料。稀磁半導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體集成電路、非易失性存儲器等器件的實現成為可能。鍺基稀磁半導體由于其與現在成熟的Si基半導體工藝相兼容,因而在

2、理論研究和實驗操作方面?zhèn)涫荜P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上,采用濕化學-氫氣還原法和濕化學.物理蒸發(fā)法制備了鈷/鉻摻雜的鍺基稀磁半導體試樣。對試樣的制備條件、表面形貌、結構和性質進行了研究表征。結合樣品的結構分析和電學特質,對樣品的室溫磁性來源進行了探討和分析。實驗和主要結論如下:
　　 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-氫氣還原法制備了

3、Ge1-xCox(X=0.75,3.2和11.5)稀磁半導體膜材料。XRD,HRTEM和拉曼光譜測試表明:當鈷含量小于3.2％時,Ge1-xCox膜材料由單一立方鍺晶體組成。當鈷摻雜量為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型半導體,并且具有較高的空穴濃度。膜試樣具有半導體導電特性,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構試樣,并且鈷原子已經摻雜進入鍺晶格。
　　 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體。我們采用濕化學-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構、光電性能和磁性能的影響,最終得到最佳實驗方案。G

6、e1-xCox薄膜材料都是由面心立方結構的鍺組成。HRTEM和拉曼光譜測試表明鈷原子已經摻雜進入鍺晶格。隨著摻雜量的增加,少量的鈷原子會出現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)現象,并且膜試樣的PL峰位置和強度都不隨摻雜濃度的變化而變化?；魻栃獪y試表明,Ge1-xCox薄膜為P型半導體,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型半導體并且呈