【摘要】：當(dāng)傳統(tǒng)微電子技術(shù)逐漸接近量子相干效應(yīng)的極限時(shí),量子效應(yīng)對(duì)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)是極大的挑戰(zhàn)。當(dāng)人們?cè)噲D突破尺寸效應(yīng)瓶頸,找到新制備技術(shù)、新材料、新構(gòu)型設(shè)計(jì)的時(shí)候,很自然的就想到是否可以同時(shí)利用電子的電荷和自旋兩個(gè)自由度,即將記憶與邏輯整合在一個(gè)器件或一個(gè)芯片上,使其同時(shí)進(jìn)行大規(guī)模的信息處理和存儲(chǔ),從而進(jìn)一步提高器件的性能,如提高處理速度、降低功耗、提高集成容量以及具有非易失性的儲(chǔ)存方式等,在此背景下,自旋電子學(xué)(Spintronics)應(yīng)運(yùn)而生。自旋電子學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括自旋電流源產(chǎn)生、自旋注入、自旋傳輸、自旋檢測(cè)和自旋調(diào)控等。目前人們對(duì)自旋電子器件的研究,主要有以下兩方面：一、以鐵磁材料為基礎(chǔ)的研究,主要包括對(duì)自旋相關(guān)的(iMR、TM 4R效應(yīng)的研究,例如已經(jīng)商用的磁傳感器、磁隨機(jī)存儲(chǔ)器、硬盤的讀頭、電隔離器等。二、以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的研究,如在半導(dǎo)體材料中引入自旋極化電流,制備出自旋晶體管(spin transistors)器件,以替代接近尺寸效應(yīng)極限的傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管。截至目前,人們已經(jīng)提出多種方案試圖實(shí)現(xiàn)這類器件的應(yīng)用,并且在自旋極化電流的注入、輸運(yùn)以及探測(cè)等方面取得了許多進(jìn)展,然而要真正實(shí)現(xiàn)基于半導(dǎo)體材料的自旋電子器件的廣泛應(yīng)用,還面臨著很多問(wèn)題,問(wèn)題之一就是找到居里溫度高于室溫的自旋極化半導(dǎo)體材料(本征磁性半導(dǎo)體),以實(shí)現(xiàn)自旋向非磁性半導(dǎo)體的高效注入,而且與目前微電子工業(yè)集成電路相兼容。上個(gè)世紀(jì)六、七十年代,人們發(fā)現(xiàn)了天然的磁性半導(dǎo)體材料,銪硫?qū)倩衔锖桶雽?dǎo)體尖晶石,但是因?yàn)樵摬牧暇永餃囟冗h(yuǎn)低于室溫、晶體生長(zhǎng)工藝復(fù)雜、晶體結(jié)構(gòu)與Si和GaAs等半導(dǎo)體存在較大差異、晶格不匹配等因素而被擱淺。后來(lái)受本征半導(dǎo)體可以摻雜成p-型或者n-型半導(dǎo)體的啟發(fā),人們?cè)噲D把磁性元素引入到非磁性半導(dǎo)體中使其成為具有磁性的半導(dǎo)體材料。二十世紀(jì)八十年代,張立綱等人首次利用分子束外延方法制備出Mn摻雜的CdMnTe 和 ZnMnSe Ⅱ-Ⅳ族磁性半導(dǎo)體材料,隨后其他研究組也對(duì)該族材料展開(kāi)了相關(guān)研究。然而Ⅱ-Ⅵ族磁性半導(dǎo)體材料很難摻雜成p-型或n-型,并且該類材料中的磁交換相互作用通常表現(xiàn)為Mn-Mn局域磁矩的反鐵磁交換耦合,隨著溫度以及磁性離子濃度的變化而呈現(xiàn)出順磁、自旋玻璃和反鐵磁行為；而且,許多奇特的低溫磁光效應(yīng)在室溫下也不復(fù)存在,所以沒(méi)有使用價(jià)值。二十世紀(jì)九十年代,日本的Ohno等人利用Mn摻雜Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體制備出InMnAs和GalMnAs等磁性半導(dǎo)體。盡管目前報(bào)道的GaMnAs居里溫度僅為200K,但是Ohno等人的工作重新激活了人們對(duì)磁性半導(dǎo)體的研究興趣,包括對(duì)Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族以及Ⅳ族磁性半導(dǎo)體的研究。其中,對(duì)Ⅳ族Ge基磁性半導(dǎo)體的研究始于Park的研究工作,2002年,Park等人首次利用低溫分子束外延技術(shù)制備了單晶MnxGe1-x磁性半導(dǎo)體,其居里溫度隨著Mn濃度的增加由25K線性增加到116K；并且可以通過(guò)外加門電壓調(diào)控載流子的濃度,進(jìn)而調(diào)控樣品的磁性,這表明MnxGe1-x磁性半導(dǎo)體的磁性來(lái)源于自旋極化的空穴載流子,即樣品是本征磁性半導(dǎo)體。進(jìn)一步理論預(yù)期Ge基磁性半導(dǎo)體的居里溫度有望達(dá)到400K以上。更重要的是,Ge基磁性半導(dǎo)體與目前工業(yè)占主流的Si基處理技術(shù)有很好的兼容性,并且Ge的高電子、高空穴遷移率也讓Ge基磁性半導(dǎo)體成為制備高性能、低功耗自旋電子器件的首選,所以目前人們對(duì)Ge基磁性半導(dǎo)體的研究依然保持熱情。為了實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的室溫應(yīng)用,人們?cè)趯ふ掖判园雽?dǎo)體的過(guò)程中,除了采取不同的生長(zhǎng)方法(MBE生長(zhǎng)、PLD生長(zhǎng)、離子束注入、溶膠凝膠法等)以期制備出室溫下具有本征磁性、高飽和磁化強(qiáng)度的磁性半導(dǎo)體材料之外,人們也嘗試在生長(zhǎng)樣品過(guò)程中或生長(zhǎng)后采取氫處理的辦法,如利用氫調(diào)控GaMnAs、 GaMnN、ZnCoO以及Ⅳ族的SiMn等磁性半導(dǎo)體性能,以期增強(qiáng)樣品的鐵磁性或提高樣品的居里溫度。然而,氫在不同磁性半導(dǎo)體中的調(diào)控效果是不同的,有增強(qiáng)鐵磁性的,也有削弱鐵磁性的；同樣是增強(qiáng)鐵磁性,其內(nèi)在機(jī)理也各不相同。雖然隨著樣品制備工藝及處理手段的進(jìn)步,有些磁性半導(dǎo)體的居里溫度有所提高,磁化強(qiáng)度有所增強(qiáng),但是居里溫度依然遠(yuǎn)低于室溫；雖然有些報(bào)道發(fā)現(xiàn)了居里溫度高于室溫、磁化強(qiáng)度較強(qiáng)的磁性半導(dǎo)體材料,但是這些物理參數(shù)往往源于熱平衡生長(zhǎng)引起的第二相或者磁性團(tuán)簇,真正具有室溫本征磁性的半導(dǎo)體材料不多。基于以上研究現(xiàn)狀,我們采取非熱平衡制備條件,在純Ar以及Ar：H混合氣體中,利用磁控濺射的方法制備了高FeCo含量的(FeCo)xGe1-x和(FeCo)xGe1-x-H非晶薄膜。采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁測(cè)量相結(jié)合的方法,研究了加氫對(duì)非晶Ge基磁性半導(dǎo)體材料磁化強(qiáng)度和交換作用的影響。我們還研究了非晶(FeCo)xGe1-x薄膜的電輸運(yùn)性質(zhì)。本論文工作主要包含以下三方面：一、成功制備了FeCo含量高的FeCoGe及FeCoGe-H非晶磁性半導(dǎo)體薄膜。為了克服熱平衡狀態(tài)下磁性元素溶解度低、易析出第二相或者產(chǎn)生團(tuán)簇等問(wèn)題,我們采取非熱平衡狀態(tài)條件下制備樣品；考慮到兩種磁性元素共摻雜有助于磁性半導(dǎo)體薄膜的穩(wěn)定性及磁性的增強(qiáng),我們選擇了自旋極化率高、居里溫度高的FeCo過(guò)渡元素與Ⅳ族Ge基半導(dǎo)體進(jìn)行共摻雜,利用磁控濺射儀在玻璃基片上制備了FeCo含量高達(dá)70%的非晶Ge基磁性半導(dǎo)體薄膜(FeCo)xGe1-X和(FeCo)xGe1-x-H。X射線衍射儀的測(cè)試結(jié)果和電阻率與溫度依賴關(guān)系的擬合結(jié)果均表明我們的所有樣品為非晶。二、發(fā)現(xiàn)氫摻雜可以大幅度增強(qiáng)非晶FeCoGe-H薄膜的磁性和交換作用。鑒于目前氫在不同磁性半導(dǎo)體中的調(diào)控效果和內(nèi)在機(jī)理各不相同,沒(méi)有統(tǒng)一定論,我們重點(diǎn)研究了氫在非晶Ge基磁性半導(dǎo)體中對(duì)磁性和交換作用的影響。我們采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁測(cè)量相結(jié)合的方法,研究了加氫對(duì)樣品磁化強(qiáng)度和交換作用的影響。超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)和鐵磁共振(FMR)的測(cè)試結(jié)果表明,(FeCo)xGe1-x-H薄膜的飽和磁化強(qiáng)度和交換作用均有顯著增強(qiáng)。室溫下,SQUID的測(cè)試結(jié)果給出,(FeCo)0.70Ge0.30-H薄膜的飽和磁化強(qiáng)度為567emu/cm3,而(FeCo)0.70Ge0.30的飽和磁化強(qiáng)度僅為330emu/cm3,前者是后者的1.72倍；FMR的測(cè)試結(jié)果給出,(FeCo)0.70Ge0.30-H的交換勁度系數(shù)D值為176.2 meV-A,是(FeCo)0.70Ge0.30的1.56倍。我們還分析了(FeCo)xGe1-x-H薄膜樣品磁性和交換作用增強(qiáng)的機(jī)理,認(rèn)為在Ge基內(nèi)部,間隙位的氫原子提供了局域的1s態(tài)電子,部分替代位的Fe(Co)原子提供了弱局域的載流子(類s、類p空穴),二者一起與Fe(Co)的3d電子進(jìn)行強(qiáng)烈地雜化,通過(guò)s,p-d雜化建立起Fe(Co)原子之間更強(qiáng)的自旋-自旋交換作用,從而增強(qiáng)了(FeCo)xGe1-x-H材料的本征鐵磁性。三、研究了非晶(FeCo)xGe1-x薄膜的電輸運(yùn)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)非晶(FeCo)xGe1-x薄膜的反常霍爾電阻率與縱向電阻率之間不滿足通常的標(biāo)度關(guān)系Pxys∝ρxxn(1n2)。目前,在一些磁性非均勻材料體系中,對(duì)反常霍爾效應(yīng)物理機(jī)制的解釋仍然存在爭(zhēng)議,我們研究了高FeCo含量的(FeCo)xGe1-x非晶薄膜的霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明：7.6nm厚(FeCo)0.67Ge0.33薄膜的霍爾電阻率在整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)(5-300 K),均是隨著磁場(chǎng)(-3500-3500 Oe)的增大而迅速線性增大,并且不同溫度下的霍爾靈敏度(pxy/H)基本相等,約為13.8μΩ·cm·T-1。特別是我們發(fā)現(xiàn)非晶(FeCo)xGe1-x薄膜與磁性顆粒膜、多層膜、其他非晶薄膜類似,其霍爾電阻率與縱向電阻率之間并不滿足通常的標(biāo)度關(guān)系。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：2256223