Mn、Co掺杂SiC稀磁半导体薄膜的制备及物性研究

论文摘要

信息时代的到来,对信息的处理、传输和存储的一体化提出了更高的要求,人们期望得到稀磁半导体为代表的自旋电子器件以满足要求。SiC稀磁半导体既具有优良的半导体性能又有磁性,是潜在自旋电子器件的优良材料,受到了人们广泛的关注。采用射频磁控溅射共溅射法,制备Mn、Co掺杂的SiC稀磁半导体薄膜。薄膜在4×10-4Pa条件下进行1200℃、800℃,1h的退火处理。薄膜厚度约400nm。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收精细结构技术（XAFS）对薄膜进行表征,通过多功能物理测试系统（PPMS）和荧光光谱仪对薄膜的磁性和光致发光特性进行测试,通过R-T、I-V曲线对薄膜的半导体输运特性进行研究。结果如下:1、Mn、Co掺杂SiC薄膜在2θ=35.8o处存在衍射峰,这个衍射峰位为3C-SiC的第一强峰,说明薄膜的晶体结构为3C-SiC。Mn、Co的掺杂使SiC晶格发生畸变,SiC衍射峰半高宽增大。随着掺杂浓度的升高,衍射峰从高角度向低角度移动。经过1200℃退火的薄膜,出现了Mn4Si7、CoSi第二相化合物。2、经XPS,XAFS表征,对于制备态的SiC薄膜和退火后的SiC薄膜,Mn、Co均以离子态掺入薄膜中,且均为+2价。经分析,Mn、Co是以替位形式掺入SiC晶格。退火后的Mn、Co掺杂SiC薄膜Si 2p的XPS图谱中也发现了Mn-Si键和Co-Si键,与XRD表征出薄膜中存在第二相的结果相一致,进一步印证了Mn4Si7、CoSi第二相化合物的存在。3、Mn、Co掺杂SiC薄膜的I-V曲线为线性关系,Mn、Co的掺杂没有形成金属—绝缘颗粒薄膜,证明薄膜中不存在金属团簇,形成的是非均匀体系的薄膜。R-T曲线测试表明,Mn、Co掺杂后,SiC薄膜的电阻率随温度的升高而降低,证明SiC薄膜仍具有半导体属性。4、磁性测量表明,Mn、Co掺杂SiC薄膜都具有室温铁磁性。在制备态的Mn掺杂SiC薄膜中,随着Mn掺杂量增加,饱和磁化强度有明显增加,当掺杂量达到9at%时,薄膜的饱和磁化强度接近15emu/cm3,随着退火温度升高,薄膜的饱和磁化强度也随之升高。在Co掺杂的薄膜中,随着掺杂量升高,薄膜的饱和磁化强度从1.9emu/cm3升到6.5 emu/cm3,当掺杂量达到10at%后,薄膜的饱和磁化强度又降到2emu/cm3。在不同退火温度薄膜的比较中发现,800℃退火的Co掺杂SiC薄膜饱和磁化强度最强,达12emu/cm3。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 稀磁半导体简介
• 1.3 SiC 稀磁半导体
• 1.3.1 SiC 的概述
• 1.3.2 SiC 的结构
• 1.3.3 SiC 稀磁半导体研究现状
• 1.3.4 SiC 稀磁半导体目前存在的问题
• 1.4 本文的研究目的及内容
• 第二章 SiC 稀磁半导体薄膜的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与实验设备
• 2.3 实验研究思路
• 2.4 SiC 稀磁半导体薄膜的制备
• 2.5 本章小结
• 第三章 Mn 掺杂 SiC 稀磁半导体薄膜的表征与性能
• 3.1 引言
• 3.2 Mn 掺杂SiC 稀磁半导体薄膜的表征
• 3.2.1 Mn 掺杂 SiC 薄膜的掺杂量
• 3.2.2 Mn 掺杂SiC 薄膜的晶体结构
• 3.2.3 Mn 掺杂SiC 薄膜的表面形貌及膜厚
• 3.2.4 Mn 掺杂SiC 薄膜的价态分析
• 3.2.5 Mn 掺杂SiC 薄膜的X 射线吸收精细结构分析
• 3.3 Mn 掺杂SiC 稀磁半导体薄膜的磁性
• 3.3.1 Mn 掺杂浓度对SiC 薄膜磁性的影响
• 3.3.2 退火温度对Mn 掺杂SiC 薄膜磁性的影响
• 3.4 Mn 掺杂 SiC 稀磁半导体薄膜的输运特性
• 3.4.1 不同浓度Mn 掺杂SiC 薄膜的I-V 曲线
• 3.4.2 制备态Mn 掺杂SiC 薄膜的I-V 曲线
• 3.4.3 不同浓度Mn 掺杂SiC 薄膜的R-T 曲线
• 3.4.4 制备态Mn 掺杂SiC 薄膜的R-T 曲线
• 3.5 Mn 掺杂SiC 稀磁半导体薄膜的缺陷分析
• 3.5.1 不同浓度Mn 掺杂SiC 薄膜的光致发光谱
• 3.5.2 不同退火温度Mn 掺杂SiC 薄膜的光致发光谱
• 3.6 本章小结
• 第四章 Co 掺杂 SiC 稀磁半导体薄膜的表征与性能
• 4.1 引言
• 4.2 Co 掺杂SiC 稀磁半导体薄膜的表征
• 4.2.1 Co 掺杂SiC 薄膜的掺杂含量
• 4.2.2 Co 掺杂SiC 薄膜的晶体结构
• 4.2.3 Co 掺杂SiC 薄膜的表面形貌及膜厚
• 4.2.4 Co 掺杂SiC 薄膜的价态分析
• 4.2.5 Co 掺杂SiC 薄膜的X 射线吸收精细结构分析
• 4.3 Co 掺杂SiC 稀磁半导体薄膜的磁性
• 4.3.1 Co 掺杂浓度对SiC 薄膜磁性的影响
• 4.3.2 退火温度对Co 掺杂SiC 薄膜磁性的影响
• 4.3.3 Co 掺杂 SiC 薄膜的 M-T 曲线
• 4.4 Co 掺杂SiC 稀磁半导体薄膜的输运特性
• 4.4.1 不同浓度 Co 掺杂的 SiC 薄膜的 I-V 曲线
• 4.4.2 制备态的 Co 掺杂 SiC 薄膜的 I-V 曲线
• 4.4.3 不同 Co 掺杂浓度的 SiC 薄膜的 R-T 曲线
• 4.4.4 不同退火温度 Co 掺杂的 SiC 薄膜的 R-T 曲线
• 4.5 Co 掺杂SiC 稀磁半导体薄膜的缺陷分析
• 4.5.1 不同浓度Co 掺杂SiC 薄膜的光致发光谱
• 4.5.2 不同退火温度 Co 掺杂 SiC 薄膜的光致发光谱
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢