本文關鍵詞：非磁性元素摻雜半導體材料中自旋極化的實驗與第一性原理研究　出處：《天津大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：為促進自旋電子器件的發(fā)展,尋找新的高自旋極化材料,實現極化電流從磁性材料到半導體材料的高效注入成為研究熱點。近年來,人們發(fā)現在不含有過渡金屬或稀土金屬元素的體系中同樣可以存在鐵磁極化,其磁性的主要來源為半導體中的點缺陷,也就是s電子或p電子。而在寬帶隙半導體中,s軌道往往對應施主價電子,p軌道則對應受主空穴。因此,研究半導體本征缺陷對磁性的調控機制,不僅可以加深對sp型半導體材料中自旋耦合作用的理解,而且對新型自旋注入器件的研究也具有一定的指導意義。在施主缺陷的研究中,本文通過直流反應濺射制備多晶SnN_x薄膜,其具有六方相富Sn結構且在500°C以上發(fā)生熱分解,復合缺陷導致薄膜帶隙達3.10 eV并具有金屬導電性,其隨基底溫度的升高與鐵磁性的變化趨勢相反。磁性的主要來源為晶粒邊界或界面處不均勻分布的點缺陷引入的未配對電子。通過射頻濺射制備多晶Ce_(1-x)Sn_x O_2薄膜,研究等價元素摻雜對電子結構和磁性的影響,發(fā)現Sn摻雜利于體系磁性的增強,但濃度高于6%后無影響。實驗分析表明磁性主要與結構畸變、Ce3+和氧空位的濃度有關。通過Ce-O-Ce形成的超交換機制以及F-center的形成有助于局域磁矩之間的長程鐵磁耦合。對受主缺陷的極化研究,通過摻雜低價陽離子或高價陰離子向本征n型材料中引入受主空穴。在外延Sn_(1-x)MgxO_2與Sn_(1-x)K_xO_2薄膜中,磁矩的極化排列主要通過摻雜元素的p軌道與母體p軌道之間的p-p耦合實現。由于受溶解度的限制,間隙位的出現作為施主會與體系中替位缺陷所引入的空穴復合,使磁性減小�？諝庵械母邷責崽幚砜梢允箵诫s元素發(fā)生間隙位到替代位的轉變,而摻雜元素較大的離子半徑所造成的晶格畸變,同樣對磁性具有重要影響。陰離子的摻雜是通過熱氧化SnN_x實現的,所有的薄膜都具有p型導電特征,最高的載流子濃度約為2.08′1019 cm-3,說明該方法可以有效的抑制自補償效應對空穴的消耗。與此同時,N的陰離子替位缺陷也可以增強體系的鐵磁性,且存在鐵磁與反鐵磁的競爭,使飽和磁矩呈現非單調變化的趨勢。在本征p型半導體的極化研究中,我們對2p軌道元素摻雜CuCl的電子結構和磁性進行理論計算。通過PBE+U研究2p軌道與3d軌道的強關聯作用的影響。通過對比我們發(fā)現強關聯作用不僅可以對帶隙進行修正,同時會影響磁性基態(tài)及局域磁矩的分布情況。不同摻雜劑所導致雜質帶的移動主要與電負性之間的差異有關。摻雜原子的2p軌道和近鄰Cu原子滿殼層的3d軌道之間的雜化作用是雜質帶劈裂和磁性極化的主要因素。為實現缺陷的規(guī)則分布,我們通過構造超晶格對纖鋅礦氮化物和鹽巖礦硫化物兩種sp型半金屬材料進行研究。發(fā)現在超晶格結構中,均可維持其半金屬性且具有整數磁矩。磁性主要來源于陰離子的貢獻,氮化物中的p-d耦合和硫化物中的p-p耦合為主要的交換機制,不同分子層上陰離子的極化方向不同,分別平行或垂直于超晶格的的z軸方向。此外,對于不同畸變的討論預言了sp型半金屬超晶格在實際應用中的可行性。
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【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O469

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本文編號：1351081