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新型稀磁半导体Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体生长及组织结构与性能研究

常永勤  
【摘要】: Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体是一种新型的四元稀磁半导体。有关Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4稀磁半导体材料的研究非常有限。本文详细研究了该材料的制备工艺及物理性能。材料的结晶质量是影响其物理性能的关键因素。本文首次采用Bridgman法生长了Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体,并研究了晶体中相的形貌、结构、成分和晶体中各组元沿轴向和径向的成分分布。对Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体的红外光学、电学、磁学及磁光性能等进行了探索性研究。 由于Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体是多元合金,而且其热导率比较低,要生长出高质量的Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体比较困难。本文根据Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体本身的特点,设计出高温度梯度的晶体生长炉。为减小界面的凹陷程度,采用了0.6mm/h和1mm/h两种较低的生长速度。另外,为获得尺寸较大、径向组分均匀的Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体,部分晶体引入ω_(max)=40rpm/min间歇三角波坩埚加速旋转技术。此外,还尝试了采用固态再结晶法生长该晶体。 研制出适合于Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体的宏观腐蚀液HNO_3∶HF∶CH_3COOH=2∶1∶2。该腐蚀液可以有效地显示出晶锭表面的晶粒分布和宏观缺陷。采用调整成分的E_(Ag)溶液腐蚀出Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体的微观组织形貌。研究发现,采用Bridgman法定向结晶的Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶锭中形成了三个相区。生长初始端为α+β相区。晶锭中间部分为β单相区。在晶锭末端形成In_2Te_3单相区,该相区晶界处有Te夹杂相。晶锭中存在两个凹形的相转变界面,其中一个是由α+β相生长向β相生长的转变界面,另一个是由β相生长向In_2Te_3相生长的转变界面。为了研究Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体生长过程中的液固界面形态,将x=0.22的晶锭在生长结束前淬火,发现Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体的生长界面也为凹形。此外,还发现Mn_xCd_(1-x)In_2Te_4晶体中存在裂纹、层错、孪晶等微观缺陷。 测定了MCIT01B晶锭中各组元沿轴向的分布规律。发现沿轴向自初始端向末端的成分分布为Cd含量逐渐降低,In和Te含量逐渐升高。径向自表面向中心的成分分布与沿轴向时的成分分布规律相似。本文通过对实验结果的拟合估算出Mn、Cd和In的分凝因数在α相区分别为1.286、1.926和0.729,在β相区则分别为1.120、1.055和0.985。并根据介万奇等提出的ACRT-B法生长HgTe-MnTe晶体的溶质再分配模型计算得出Cd组元沿轴向的组分分布规律, 摘 要 计算结果与实验结果相吻合。 实验测得 MCIT0lB晶体中,Q什相区和 p相区的径向组分的变化范围随 着生长的进行而逐渐增大。表明生长界面形态随着生长的进行逐渐加深。理论 计算出p单相区的液固界面深度在生长过程中的变化规律与实验结果相一致。 采用X射线衍射法测得口相为(Mn厂dhInzTe。面心立方结构,p相为 帅工。黄铜矿结构,IllZTq相为面心立方结构。根据 X射线衍射图谱,甲 并采用外推函数得出MnxCd.xInZTe4晶体中不同相的晶格常数。发现p相的晶格 常数a和。及。/a与组分X符合线性关系。 采用光吸收法测得 Mn人d**n。Te。晶体属于直接带隙半导体,其能隙 Eg随 着组分互的增加线性增大。MnxCd.xIn。Te。晶体在 l~25 n m内均有很高的红外透 过率。 采用Hall 系统测量了MnxCd.xIn。Te。晶体的电学性能,发现生长态的 MnCd* 晶体均为 P型半导体。随着组分 X值的增大,载流于的浓度 Np 减小,迁移率P。增大,电阻率P也增大。 实验测量了MnxCd、InZTe。晶体的磁化率x与温度、组分和磁化强度的关系。 MnxCd、xIn。Te。晶体在低温下的磁化曲线(M-B)表明,所有x组分的样品均显 示顺磁特征。Mn》离子之间存在反铁磁相互作用,并随着组分x的增大而增强。 研究磁化率x与温度的关系发现,在高温区Mn人d.xIn。Te4晶体的x-’丁曲线服 从居里一外斯定律,在低温区(大约低于50K)磁化率与温度的关系偏离居里 一外斯定律,表现出顺磁增强现象。二越大,偏离现象越明显。对于同一组分的 MnCd、InzTe晶体,温度越低,反铁磁作用越明显。 Mn人d.xhiZTe4晶体作为一种稀磁半导体,其最显著的特性就是巨法拉第效 应。本文首次报道了MnxCd、xhiZTe4晶体的法拉第旋转效应随着组分和光子能量 的变化规律。研究发现,MnxCd.xInZTe4晶体在室温下的Verdet常数就可以达到 10勺egcm-’T-‘。说明 Mn人d.*nzTe4晶体是优异的磁光材料。


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