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《武汉大学》 2011年
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铬掺杂氮化物半导体外延和磁性研究

周忠坡  
【摘要】:自旋电子学是近年以来出现的一门新兴学科,自诞生之日起就成为了研究的焦点。以之为基础的自旋电子器件具有传统电子器件所不具备的许多优点:如更高的运行速度、更高的集成度和更低的能耗等。GaN基稀磁半导体是实现自旋电子器件最有前途的候选材料之一,受到了广泛关注。尽管现在Ⅲ族氮化物基的室温稀磁半导体已经被成功制备,但其铁磁性的来源和机理仍不清楚。本论文针对目前GaN基稀磁半导体材料中的磁性来源问题,利用分子束外延设备制备了Cr掺杂的GaN基稀磁半导体材料,并对其微结构、光学、电学和磁学性质进行较为深入的研究。具体工作和主要成果如下: 1、使用分子束外延设备在蓝宝石衬底上原位掺杂过渡族金属Cr外延了较高晶体质量的GaN和立方AlN基稀磁半导体。通过优化外延工艺,如衬底温度、Ga(Al)/N比、掺杂源温度等生长参数,过渡族金属Cr有效地进入GaN和AlN,形成具有室温铁磁性的半导体材料。 2、对比研究了分子束原位掺杂制备的Ga1-xCrxN:Si和Ga1-xCrxN稀磁半导体材料的晶体质量、电子结构、光学、电学和磁学性质。Si掺杂后的Ga1-xCrxN的晶体质量略有提高;电子掺杂在Ga1-xCrxN中引入了新的化学态Cr2+;导致了Cr原子的净磁矩下降;居里温度升高。 3、利用分子束外延设备在MgO衬底上制备了表面具有原子量级平整度的非晶CrN薄膜,并研究了其微结构、电学和磁学性质。首次观察到该材料的室温铁磁性。尝试用Mott局域法则描述并解释其与相变有关的电输运行为;用磁极化子渗透理论理解材料中原子排列的无序和磁性相互作用。为过渡族金属Cr掺杂的Ⅲ族氮化物的磁性机理的解释提供了线索。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN304.054

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