铬掺杂氮化铝薄膜的结构与磁性研究

论文摘要

Cr掺杂AlN是一种理论预测的高温稀磁材料,在实验上对其结构与磁性进行系统研究有助于探讨稀磁材料的磁性起源机理,也可以掌握控制其磁性的制备工艺。本文采用直流反应磁控溅射技术,制备了Cr掺杂AlN薄膜,系统研究了掺杂含量、铁电基片、基片负偏压、掺碳以及[TiN/Cr:AlN]多层膜结构等工艺条件对薄膜结构与磁性的影响。研究表明:（1）本文制备了掺杂含量小于11.5atom%的Cr掺杂AlN薄膜,通过XRD、X射线吸收谱等表征手段证明,单层膜结构的Cr掺杂AlN形成了成分均匀的纤锌矿固溶体,而小周期多层膜结构的Cr掺杂AlN则形成NaCl结构固溶体。其中Cr以+3价置换Al溶解于AlN基体中,没有发生第二相析出。（2）所有Cr掺杂AlN样品均具有室温铁磁性,该磁性来自Al-Cr-N固溶体而非磁性第二相颗粒。在Si基片上生长的薄膜,随着掺杂含量从2.3atom%增加到7.7atom%,Cr掺杂AlN的平均原子磁矩从0.23μB/Cr下降到0.03μB/Cr。在LiTaO3、LiNbO3铁电基片上生长的薄膜,当铁电基片c轴与薄膜c轴的夹角减小时,Cr掺杂AlN薄膜的平均原子磁矩增加,其变化范围从0.01μB/Cr到0.20μB/Cr,该现象与AlN基体内部极化电场对磁偶极子的散射作用有关。（3）施加基片负偏压使Si基片上的Cr掺杂AlN薄膜磁性从0.07μB/Cr提高到0.18μB/Cr,而掺碳使薄膜的磁性从0.10μB/Cr提高到0.42μB/Cr。通过分析表明,前者磁性的增强来自薄膜中晶界断键缺陷的增多,而后者磁性的增强来自C杂质缺陷的引入。（4）减小Cr掺杂AlN在多层膜中的单层厚度至2nm,可以使它发生纤锌矿结构到NaCl结构的相变,新相也具有室温铁磁性,与原纤锌矿六方相相比,新相具有更大的剩磁,且更易被磁化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 自旋电子学
• 1.2 稀磁半导体与绝缘体
• 1.2.1 稀磁半导体的研究概况
• 1.2.2 稀磁半导体的性能与检测
• 1.2.3 稀磁半导体、绝缘体的磁有序机理
• 1.3 过渡金属掺杂AlN 薄膜研究概况
• 1.3.1 AlN 薄膜的制备与性能
• 1.3.2 AlN 基稀磁绝缘体研究概况
• 1.4 本论文的思路及内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 Cr 掺杂AlN 薄膜的制备工艺
• 2.2 Cr 掺杂AlN 的组织结构和成分分析
• 2.2.1 X 射线衍射
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 透射电子显微镜
• 2.2.4 电感耦合等离子体发射光谱质谱仪
• 2.2.5 X 射线荧光光谱
• 2.2.6 X 射线光电子能谱
• 2.3 Cr 掺杂AlN 的局域结构分析
• 2.4 Cr 掺杂AlN 的磁性测量
• 2.4.1 交变梯度磁强计
• 2.4.2 振动样品磁强计
• 2.5 Cr 掺杂AlN 的介电性能测试
• 2.6 Cr 掺杂AlN 的光学性能测试
• 第3章 铁电基片对Cr 掺杂AlN 薄膜铁磁性影响
• 3.1 样品设计与制备
• 3.2 Cr 掺杂AlN 薄膜的结构与成分
• 3.3 铁电基片对掺杂元素与基体原子近邻结构的影响
• 3.4 铁电基片对Cr 掺杂AlN 薄膜磁性能的影响
• 3.4.1 不同掺杂浓度Cr 掺杂AlN 薄膜的磁性
• 3.4.2 不同铁电基片上Cr 掺杂AlN 薄膜的磁性
• 3.5 铁电基片对Cr 掺杂AlN 薄膜磁性能的影响的机理讨论
• 第4章 材料缺陷对Cr 掺杂AlN 薄膜铁磁性影响
• 4.1 样品设计与制备
• 4.2 晶界断键缺陷对Cr 掺杂AlN 薄膜铁磁性的影响
• 4.2.1 基片负偏压对Cr 掺杂AlN 薄膜结构的影响
• 4.2.2 基片负偏压对掺杂元素与基体原子近邻结构的影响
• 4.2.3 晶界断键缺陷诱发的介电弛豫现象
• 4.2.4 基片负偏压对薄膜光学性能的影响
• 4.2.5 晶界断键缺陷与薄膜磁性能的联系
• 4.3 C 杂质缺陷对Cr 掺杂AlN 薄膜铁磁性的研究
• 4.3.1 C 共掺杂对Cr 掺杂AlN 薄膜结构的影响
• 4.3.2 C 共掺杂对掺杂元素与基体原子近邻结构的影响
• 4.3.3 C 杂质缺陷诱发的介电弛豫现象
• 4.3.4 C 杂质缺陷与薄膜磁性能的联系
• 4.4 材料缺陷对Cr 掺杂AlN 薄膜磁性能影响小结
• 第5章 立方相Cr 掺杂AlN 薄膜的结构与磁性
• 5.1 [TiN/Cr:AlN]多层膜的制备工艺
• 5.2 [TiN/Cr:AlN]多层膜的结构表征
• 5.3 立方相Cr 掺杂AlN 薄膜的磁性
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果