Si基稀磁半导体的X射线吸收谱学研究

论文摘要

本论文主要利用同步辐射X射线吸收精细结构谱学（XAFS）技术,结合X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等实验方法联合研究了磁控溅射共溅射方法和分子束外延方法制备的Si基稀磁半导体薄膜的结构,获得了Fe掺杂和Mn掺杂的Si基薄膜样品中Fe原子和Mn原子的分布和配位环境等结构参数。同时利用基于有效单粒子相对论性自恰实空间Green函数方法的FEFF8理论计算,通过对Fe原子和Mn原子掺杂Si基稀磁半导体体系中的Fe原子和Mn原子的典型占位构建模型,分析了Fe原子和Mn原子在体系中的存在形式与占位情况,明确了Fe原子和Mn原子掺杂Si基稀磁半导体薄膜中Mn原子主要是以替位式形式存在、Fe原子的存在形式则由样品的制备温度决定。这些都为Si基稀磁半导体材料的可控制备提供了依据。1.Fe掺杂Si基稀磁半导体薄膜的结构研究利用XAFS和拉曼光谱等方法研究了磁控溅射共沉积方法制备的FexSi1-x稀磁半导体薄膜的结构。Raman结果表明室温下制备的样品中不存在金属Fe团簇或者Fe-Si化合物的物相,473K温度下制备的样品中已经有FeSi2化合物物相存在。利用FEFF8程序模拟了Fe占据Si晶格替代位、四角间隙位和六角间隙位等三种最具代表性的理论模型的径向结构函数曲线,通过与实验曲线对比,明确了Fe在样品中存在形式依赖于样品制备温度。室温下制备的样品中,Fe原子进入Si晶格后,主要以替代位形式Fesi存在;而当制备温度达到473K,薄膜样品中的Fe主要以FeSi2化合物的形式存在。同时,利用XAFS方法研究了473K条件下,用分子束外延方法制备的FexSi1-x稀磁半导体薄膜的结构,研究结果与前面得到的结果相一致,即当制备温度达到473K后,Fe原子分散到Si介质后,主要与Si原子反应,生成FeSi2化合物。2.Mn掺杂Si基稀磁半导体薄膜的结构研究利用XRD和XAFS方法研究了473K条件下制备的MnxSi1-x稀磁半导体薄膜的结构。XRD结果表明两个不同Mn含量的样品中均不存在金属Mn团簇或者Mn-Si化合物的物相。Mn K边的XAFS结果表明对于所有Mn掺杂含量（3.0%,10.0%）的样品,Mn原子均已经分散到Si的介质。EXAFS拟合结果表明,Mn原子与最近邻的Si原子的平均配位键长约为2.35（?）,配位数约为4.1,与Mn占据替代位的结构参数相近。利用FEFF8程序模拟了Mn原子占据Si晶格替代位、四角间隙位和六角间隙位等三种最具代表性的理论模型的径向结构函数曲线,通过与实验曲线对比,明确了Mn原子在样品中主要以替代位的形式存在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 同步辐射光源
• 1.1.1 同步辐射的发展历史
• 1.1.2 同步辐射的特点
• 1.1.3 同步辐射的应用
• 1.2 XAFS方法
• 1.2.1 XAFS方法的发展历史
• 1.2.2 XAFS方法的特点
• 1.3 稀磁半导体
• 1.3.1 稀磁半导体的原理和特性
• 1.3.2 稀磁半导体的研究现状
• 1.4 Si基稀磁半导体薄膜研究意义
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 XAFS基本理论和数据分析
• 2.1 XAFS基本理论
• 2.1.1 X射线吸收理论
• 2.1.2 XAFS基本方程
• 2.2 XAFS数据分析
• 2.2.1 XAFS数据分析步骤
• 2.2.2 XAFS数据分析软件
• 参考文献
• xSi_1-x稀磁半导体薄膜的结构研究'>第三章 Fe_xSi_1-x稀磁半导体薄膜的结构研究
• xSi_1-x稀磁半导体薄膜'>3.1 磁控溅射共沉积方法制备的Fe_xSi_1-x稀磁半导体薄膜
• 3.1.1 磁控溅射设备
• xSi_1-x稀磁半导体薄膜的制备方法'>3.1.2 Fe_xSi_1-x稀磁半导体薄膜的制备方法
• 3.2 测试手段及设备
• 3.2.1 Fe K边X射线吸收谱（XAFS）
• 3.2.2 Raman光谱
• 3.3 实验结果分析
• 3.3.1 Fe K边XAFS结果与分析
• 3.3.2 Raman光谱结果与分析
• 3.4 讨论
• 3.4.1 样品结构参数的讨论
• 3.4.2 样品中Fe原子占位的讨论
• xSi_1-x稀磁半导体薄膜'>3.5 分子束外延（MBE）方法制备的Fe_xSi_1-x稀磁半导体薄膜
• 3.5.1 样品制备
• 3.5.2 Fe K边的XANES分析与讨论
• 3.6 结论
• 参考文献
• xSi_1-x稀磁半导体薄膜的结构研究'>第四章 Mn_xSi_1-x稀磁半导体薄膜的结构研究
• 4.1 样品的制备
• 4.2 测试手段及设备
• 4.2.1 X射线衍射（XRD）
• 4.2.2 Mn K边X射线吸收谱（XAFS）
• 4.3 实验结果分析
• 4.3.1 XRD结果与分析
• 4.3.2 Mn K边XAFS结果与分析
• 4.4 讨论
• 4.4.1 样品中结构参数的讨论
• 4.4.2 样品中Mn原子占位的讨论
• 4.5 结论
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文
• 致谢