文档介绍：河北师范大学
硕士学位论文
Fe(Cu)掺杂Ge(Si)基稀磁半导体薄膜的结构及磁性研究
姓名:高卫霞
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
在当今信息高速发展的时代,信息传输和存储仍然是通过传统的方法—分
别控制电子的电荷和电子的自旋来实现。随着人们对信息量需求的日益增大,传
统的半导体和铁磁体独立工作带来的不足,越来越凸显出来,集电子的电荷和自
旋于一体的稀释磁性半导体材料已成为当前最令人感兴趣的研究领域。稀释磁性
半导体由于过渡族或稀土族磁性元素的掺入,使得该类材料与传统的半导体相
比,出现了许多奇异特性,具备良好的应用前景。
Mn 掺杂Ⅳ族基稀磁半导体的理论研究和实验进展都已取得了可喜成果,但
是关于其磁性起源和具体器件的应用还有待更进一步的研究。本工作选取了过渡
族元素 Fe 和 Cu,对 Si/Ge 基半导体掺杂,具体工作如下:
Si 基底上制备了 Fe 掺杂 Ge1-xFex 系列薄膜,基底温度为
473 K,经 873 K 真空后退火 20 min 得到样品。X 射线衍射(XRD)结构检测显示
所有样品具有 Ge 的立方结构,没有发现其他杂质相。样品中的 Fe 主要以 Fe2+
离子形式存在,同时含有少量的 Fe0;Ge 元素主要以 Ge0 形式存在于样品,含有
少量的 Ge-O 键和 Ge-Fe 键。Fe 掺杂浓度为 %样品中有 Fe3+离子存在。磁性
测量显示样品在低温下具有弱的铁磁性,居里温度约为 300 K,铁磁性来源于随
机分布的磁性 Fe 原子。
,在 n-Si(100)基片中共注入 Fe、N
离子,制备 Fe、N 共掺的 Si(Fe,N)薄膜样品。X 射线衍射(XRD)结构分析表明,
离子注入没有改变基底的立方晶格结构,也没有形成其他杂质第二相。X 射线吸
收精细结构(XAFS)表明低注入剂量样品中 Fe 离子处于替代位,高剂量注入样品
中有 FeSi2 化合物形成。磁力显微镜(MFM)观察到磁畴结构,磁性测量显示低注
16 -2
入剂量(×10 cm )样品有最大磁矩约 µB/Fe,原位退火和后退火都减弱了
样品的铁磁性。Hall 测量显示样品是 n 型传导,饱和磁化强度随着电子载流子浓
度的增大而减小。样品的磁性不依赖于载流子,而是来源于处于替代位的 Fe 磁
性原子。
,在 n-Si(100)基片中注入 Cu 离子得到 Si:Cu
薄膜。X 射线衍射(XRD)测量显示不同剂量的 Cu 离子注入后样品均由单晶 Si 变
III
为多晶 Si 晶格结构,同时有 Cu 间隙、Si 间隙和 Si 空位等缺陷形成,但是没有
+
发现其他杂质相。常注入态样品中,Cu 以 Cu 离子形式存在,经 N2 气氛围快速
热退火后,有少部分 Cu2+离子出现。Hall 效应测量表明 Cu+离子注入使得 Si 母
体由 n 型传导变为 p 型。磁性测量显示样品具有室温铁磁性,该磁性来源于空穴
载流子传递的 Cu+离子与 Si 空位间的铁磁相互作用。

关键词:磁性半导体离子注入磁畴输运性质霍尔效应

IV
Abstract
Today, the information processing is developing fast. The transfer and storage of
information are still base on the classical methods — controlling the charge and spin
of electron, respectively. With the increase of information we need, the disadvantage
of the classical semiconductors and s working independently ing
forth. The diluted ic semiconductors (DMSs) based on both the charge and
spin of electron have been one of the most interesting fields. Due to the incorporation
of transition metal elements or rare earth elements, DMSs have many s