Fe基宽带隙Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体及FeSe异质结构的生长及特性研究

论文摘要

自旋电子学是凝聚态领域的一门新型交叉学科,具有丰富的物理现象和巨大应用价值。目前,有两类这种新型材料得到了广泛重视:一类是稀磁半导体（DMS）材料;另一类是铁磁/半导体异质结材料,由于这两种新型材料能够将传统的半导体和磁性材料融合以期开发出新一代的自旋电子器件,所以正日益受到科技界和工业界的瞩目。本论文针对上述两种新型材料研究领域的热点和难点,具体对ZnFeS、ZnFeO和FeSe等材料的制备和表征进行了研究,取得的主要结果如下:（1）利用低压金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备制备出不同Fe组分的ZnFeS合金薄膜。通过X射线衍射测量表明当Fe源的流量小于6ml/min时,样品为六角的单晶结构;当Fe源的含量大于6ml/min时,样品为多晶的立方结构。此外,随着样品中Fe含量的增加,样品的光学带隙明显变窄,并且由于Fe-S键的结合能大于Zn-S,导致光电子能谱中S 2p向高的束缚能侧移动。（2）在不同的温度下对一系列ZnFeS样品进行热氧化,发现在800℃下退火得到的ZnFeO样品,其结晶质量好于其它温度的样品,并在室温下在ZnFeO样品中观测到其铁磁性。此外,当Fe的含量为0.25时,达到了Fe在ZnO中溶解度的临界值。（3）采用低压MOCVD方法在半绝缘的GaAs衬底上制备出高质量的FeSe薄膜。X射线衍射表明获得的样品为单一取向的四角结构。磁性测量表明样品的居里温度高于室温,并且在垂直样品表面和平行样品表面方向上观测到了强的各向异性,易磁化轴为平行于样品表面方向。此外,光学吸收谱和磁圆二色谱及电阻率随温度的变化关系等测量手段,证实了FeSe具有铁磁半导体特性。（4）利用等离子体对ZnS成膜时的增原子迁移能力作用,制备出高度一致的垂直生长的ZnS纳米棒,长度约为350-400nm,直径约为55-60nm。室温光致发光谱观测到强的紫外发光,表明获得的ZnS纳米棒具有好的结晶性和光学质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 自旋电子学的兴起及研究意义
• 1.2 自旋电子学的研究领域及其产生机理
• 1.3 稀磁半导体的研究进展
• 1.3.1 稀磁半导体材料目前存在的主要问题
• 1.3.2 ZnO 基稀磁半导体的主要研究结果
• 1.4 铁磁/半导体异质结构的研究进展
• 1.4.1 FeSe/GaAs 异质结构的研究进展
• 1.5 本文的立论依据及其研究内容
• 参考文献
• 第二章 磁性材料的主要制备方法及表征手段
• 2.1 主要的制备方法
• 2.1.1 分子束外延技术（MBE）
• 2.1.2 金属有机化学气相淀积（MOCVD）
• 2.1.3 高温退火设备
• 2.2 相关表征手段
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.4 透射电子显微镜（TEM）
• 2.2.5 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.6 透射和吸收光谱
• 2.2.7 微区光致发光谱（PL）
• 2.2.8 振动样品磁强计
• 2.2.9 霍尔效应
• 参考文献
• 第三章 ZnFeS 合金薄膜的结构和光学特性
• 3.1 ZnFeS 合金薄膜的制备
• 3.2 ZnFeS 合金薄膜的结构特性
• 3.2.1 X-射线衍射（XRD）结果分析
• 3.2.2 X-射线光电子能谱（XPS）分析
• 3.3 ZnFeS 合金薄膜的光学特性
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 ZnFeO 薄膜的制备及磁学性质
• 4.1 ZnFeO 薄膜的制备
• 4.2 ZnFeO 薄膜的表征
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 FeSe/GaAs 铁磁/半导体异质结构的生长及特性研究
• 5.1 探索新型铁磁（半导体）材料 FeSe
• 5.2 样品的制备
• 5.3 样品的结构特性
• 5.3.1 320℃下制备样品的结构及表面形貌
• 5.4 样品的磁学特性
• 5.5 样品的电学特性
• 5.6 样品的光学特性
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 ZnS 纳米棒的制备及光学特性
• 6.1 ZnS 低维结构的研究进展
• 6.1.1 ZnS 基稀磁半导体低维结构的研究进展
• 6.2 ZnS 纳米棒的生长
• 6.3 ZnS 纳米棒的结构及表面形貌
• 6.4 ZnS 纳米棒的生长机理
• 6.5 ZnS 纳米棒的光学特性
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 作者简介
• 攻读博士学位期间承担的主要工作及取得的成果
• 致谢