【摘要】：通常在鐵磁材料中,提供局域磁矩的元素的主量子數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足n≥3的條件。然而,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在不滿(mǎn)足主量子數(shù)n≥3條件的元素所組成的固體中,仍然可以在特定條件下觀(guān)測(cè)到磁有序現(xiàn)象。通常在這些材料中對(duì)鐵磁有序形成起關(guān)鍵作用的是位于費(fèi)米能級(jí)處的缺陷,因此這一現(xiàn)象又稱(chēng)為缺陷誘導(dǎo)鐵磁性。通常,在半導(dǎo)體材料中觀(guān)察到的缺陷誘導(dǎo)鐵磁性的居里溫度高于室溫,這一特點(diǎn)使其在制備自旋電子學(xué)器件方面擁有巨大潛力。目前對(duì)缺陷誘導(dǎo)鐵磁性的研究主要集中在碳基、氧化物和碳化硅材料中。與碳基材料和氧化物材料相比,碳化硅材料在研究缺陷誘導(dǎo)鐵磁性方面具有純度高、獲取方便、易于處理等優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)氯化、離子注入和外延生長(zhǎng)等方法,制備出具有缺陷誘導(dǎo)鐵磁性的碳化硅及相關(guān)材料,重點(diǎn)討論和分析了其中提供局域磁矩的點(diǎn)缺陷以及缺陷間的相互作用,探討了鐵磁有序現(xiàn)象的成因。主要研究成果如下:1.基于高純碳化硅襯底,通過(guò)高溫氯化法制備了不含過(guò)渡金屬雜質(zhì)的碳化物衍生碳(CDC)材料,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和磁學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明在4H-SiC襯底上形成了石墨化的CDC層。通過(guò)對(duì)從磁學(xué)測(cè)量結(jié)果分離出的順磁相使用布里淵擬合,在CDC樣品中觀(guān)察到了帶有～1.3μB磁矩的順磁中心。同時(shí)在其中一組樣品中觀(guān)察到了居里溫度超過(guò)室溫的鐵磁相。根據(jù)電子順磁共振波譜推斷出順磁中心間具有交換相互作用。通過(guò)第一性原理計(jì)算,證實(shí)了發(fā)生在CDC層中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。通過(guò)計(jì)算樣品中不同類(lèi)型缺陷的局域磁矩和自旋耦合能量,闡明了CDC樣品中順磁中心的結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算這些順磁中心(缺陷)之間的鐵磁-反鐵磁耦合能量差,得出鐵磁耦合隨缺陷間距離(缺陷密度)變化的關(guān)系。2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和第一性原理計(jì)算對(duì)離子注入4H-SiC襯底進(jìn)行了分析。使用拉曼光譜和正電子湮沒(méi)譜對(duì)注入樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明注入造成了4H-SiC晶格損傷,并引入了缺陷。對(duì)樣品的磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)量,并根據(jù)測(cè)量結(jié)果擬合出注入引入缺陷(順磁中心)的局域磁矩。擬合結(jié)果表明相比原始樣品,1×1016cm-2氮和氧離子注入后的樣品中順磁缺陷的局域磁矩由1μB分別增加至2μB和1.4μB。其余樣品局域磁矩保持不變。綜合正電子湮沒(méi)譜、磁性分析結(jié)果和第一性原理計(jì)算結(jié)果,得出在重?fù)诫s樣品中,當(dāng)摻雜濃度與注入引入硅空位的濃度相接近時(shí),硅空位的磁矩會(huì)發(fā)生改變這一結(jié)論。3.制備了不同摻雜濃度的n型4H-SiC外延層,并通過(guò)Ne+離子注入引入缺陷。使用正電子湮沒(méi)多普勒展寬譜對(duì)注入后的樣品中缺陷分布進(jìn)行了研究。使用超導(dǎo)量子干涉儀對(duì)注入外延樣品的M-H曲線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)量,并對(duì)其中的抗磁、順磁、鐵磁成分進(jìn)行了分離。當(dāng)注入劑量為1×1015cm-2和5×1014cm-2時(shí),在半絕緣樣品、非刻意摻雜樣品和低摻外延層中發(fā)現(xiàn)了居里溫度超過(guò)300 K的缺陷誘導(dǎo)鐵磁相。研究了上述樣品中的順磁相,通過(guò)布里淵擬合求出順磁中心的磁矩和濃度,發(fā)現(xiàn)較低的摻雜濃度不會(huì)改變樣品中順磁中心的磁矩。同時(shí)分析了樣品的飽和磁化強(qiáng)度隨外延層摻雜濃度和注入劑量變化的關(guān)系。討論了幾種常見(jiàn)的鐵磁耦合模型,并將其與本次實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到的現(xiàn)象進(jìn)行了對(duì)比。提出用類(lèi)RKKY模型可以定性解釋在n型4H-SiC外延層中觀(guān)測(cè)到的缺陷誘導(dǎo)鐵磁性。4.通過(guò)場(chǎng)冷M-H曲線(xiàn)的測(cè)量確定了在離子注入碳化硅樣品中存在交換偏置效應(yīng),并使用單磁疇模型和核心-外殼模型對(duì)其進(jìn)行了定量分析,計(jì)算出了每個(gè)鐵磁核心中的磁矩?cái)?shù)。對(duì)反鐵磁-鐵磁界面處的交換耦合常數(shù)進(jìn)行了擬合,得出在界面處的順磁中心(缺陷)之間的相互作用為反鐵磁耦合。樣品中的反鐵磁相是由于反鐵磁-鐵磁界面處反鐵磁耦合延伸缺陷產(chǎn)生的超順磁相中而產(chǎn)生。5.從離子注入碳化硅樣品中的順磁相出發(fā),提出了一種表征離子注入碳化硅樣品中缺陷濃度及類(lèi)型的方法。以鋁注入4H-SiC樣品為例,具體解釋了這一表征方法的步驟,并利用電子順磁共振譜、正電子湮沒(méi)譜和第一性原理計(jì)算等方法對(duì)表征出的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和解釋。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM271

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 胡繼超;4H-SiC低壓同質(zhì)外延生長(zhǎng)和器件驗(yàn)證[D];西安電子科技大學(xué);2017年

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本文編號(hào)：2691779