文档介绍：河北师范大学
硕士学位论文
Cr(Co)掺杂Ge(Si)基稀磁半导体的制备与磁性研究
姓名:胡玉婵
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:侯登录
20100402
摘要
稀释磁性半导体材料将电子的电荷属性和自旋属性集于同一基体,使之同时具有半
导体材料的电荷输运特征和磁性材料的信息存储特征,成为自旋电子装置的最佳候选材
料。由于传统的半导体工业是以半导体材料 Si 为基础,基于 Ge/Si 基稀磁半导体材料易
与当前的半导体工业相兼容,因此引起了众多研究者的广泛关注。
目前,Ge/Si 基稀磁半导体材料已成为国内外研究的热门课题。尽管在理论和实验
上已经取得了一些较好的结果,但是在这类材料中仍存在一些问题(磁性的起源问题,
居里温度低于室温等),有待于进一步解决。针对这些问题,本文采用射频、直流交替
磁控溅射技术在 n 型 Si(100)衬底上制备了 Cr(Co)掺杂的 Ge(Si)基稀磁半导体薄膜,结合
样品的结构、电学性质及磁学性质,对样品铁磁性的起源进行了初步探讨。
1、Cr 掺杂的 Ge、Si 薄膜样品:XRD 结果显示所制备的样品均表现为 Ge、Si 的衍
射峰,未发现其他第二相;电学性质表明 Cr 离子在 Ge 母体中处于浅受主状态,不仅提
供了局域化自旋,同时也是受主中心,提供空穴载流子;XPS 测量结果显示 Cr 离子在
Si 母体中大部分处于为+2 价,含有少量的 Cr3+;利用 XAFS 谱检测,样品中 Cr 离子在
Ge 母体中易于占据替代位,而在 Si 母体中易于占据间隙位;磁性测量结果显示 CrxGe1-x
样品具有低温铁磁性,磁性源于替代位 Cr 离子的 d 态电子与 Ge 原子的 p态电子之间
的 p-d 交换耦合相互作用,而对于 CrxSi1-x 样品铁磁性的产生有待于进一步实验探究。
2、Co:Si 薄膜样品:XRD 测量显示样品中并没有发现任何杂质相,所有样品均沿
Si(311)择优取向生长;利用 XPS 谱检测,样品中的 Co 元素处于+2 价态;电学性质
测量显示,室温下样品的电阻率的大小数量级为 104 Ω·cm,并且样品的电阻率随 Co 浓
度的增加而增加,表明 Co 处于深受主态。磁性结果显示样品具有室温铁磁性,但是矫
顽力和剩磁特别小,其铁磁性并非来源于样品中的杂质相,推测可能是源于替代位 Co
离子的 3d 态电子与 Si 的 2p 态电子之间的 p-d 交换相互作用。
关键词:稀磁半导体磁控溅射替代位间隙位铁磁性
III
Abstract
Diluted ic semiconductor (DMS) has two sets of freedom degrees---charge and
spin in the same matrix, along with the charge characteristics in conventional semiconductors
and the spin in ic materials, e the best candidates materials for semiconductor
spintronics devices. In recent years, Ge/Si-based DMSs attract considerable experimental
effort due to patibility with mainstream silicon technology.
At present, Ge/Si-based diluted ic semiconductor (DMS) materials have e
a hot research topic at home and abroad. Although there have been many better results in both
theoretic and experimental fields, some questions are still to be further solved, such as the
origin of the observed ism, the lower Curie temperature and so on. Therefore, in
this work, we reported that series of Cr (Co) doped Ge (Si) films deposited on the n-Si (100)
substrates w