Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的X射线吸收谱学研究

【摘要】：本论文主要利用同步辐射X射线吸收精细结构谱学(XAFS)技术,结合X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱等实验方法联合研究了磁控溅射共溅射方法制备的Mn掺杂IV族稀磁半导体薄膜的结构和性能,获得了Mn掺杂的Si基和Ge基样品中Mn离子的价态、分布和配位环境等结构参数以及磁学性能。同时利用基于有效单粒子相对论性自恰实空间Green函数方法的FEFF8理论计算,通过对Mn掺杂IV族稀磁半导体体系中的Mn原子的典型占位构建模型,分析了Mn原子在体系中的存在形式与占位情况,明确了Mn掺杂Si稀磁半导体薄膜中Mn主要是以替位式形式存在、Mn掺杂Ge稀磁半导体中Mn的存在形式则由掺杂量决定。采用超导量子干涉仪(SQUID)测量Mn掺杂Si稀磁半导体薄膜的磁学性质,结果表明样品在50K温度下为顺磁性,结合获得的Mn原子局域结构信息,从微观结构上探讨了样品结构与磁性的关系,从而为高性能的IV族稀磁半导体的可控制备提供结构和理论研究基础。 为了生长稀磁半导体薄膜,作为主要成员搭建了一台超高真空磁控溅射装置,其主溅射室(真空度6.6×10-6Pa)装有4只永磁靶,进样室(真空度6.6×10-5Pa)配有磁力样品传递装置,溅射生长速率为0.3～3.0纳米/分钟可控,可实现Fe、Co、Ni等多种磁性金属材料,Cu、Mn、Cr等金属材料以及Ge、Si、InSb、GaSb等半导体材料的多靶共溅射,样品基片回转速率0～30转/分,样品加热温度0～1000℃连续可调。利用该设备,通过改变基片温度、溅射压强、样品转速及退火温度等工艺参数制备出高质量的Mn掺杂IV族半导体薄膜。 1. Mn掺杂Si基稀磁半导体薄膜的结构和磁性研究 利用XRD、XAFS、和SQUID等方法研究了Si1-xMnx稀磁半导体薄膜的结构和磁性。XRD结果表明样品中不存在金属Mn团簇或者Si-Mn化合物的物相。Mn K边的XAFS结果表明对于所有Mn掺杂含量(3.0%, 5.0%, 8.0%)的样品,Mn原子均已经分散到Si的介质。EXAFS拟合结果表明,Mn原子与最近邻的Si原子的平均配位键长约为2.35 ?,配位数约为4.0,与Mn占据替代位的结构参数相近。利用FEFF8程序模拟了Mn占据Si晶格替代位、四角间隙位和六角间隙位等三种最具代表性的理论模型的径向结构函数曲线,通过与实验曲线对比,明确了Mn在样品中主要以替代位的形式存在。XRD和XAFS结果综合表明制备的Si1-xMnx稀磁半导体薄膜样品不具有长程有序的结构。此外,XAFS拟合结果显示Mn-Si第一近邻配位的结构无序度σ2Mn-Si(0.008～0.010?2)远大于晶体Si相应的无序度,表明样品结构存在着一定的扭曲。SQUID测试结果显示样品在50K温度下呈现顺磁性特征。第一性原理电子结构计算表明由于替位式Mn掺杂Si基体系中Mn原子的3d轨道在带隙中间形成深能级,无法与Si的3sp轨道充分杂化,因此基本不能发生稀磁半导体领域中理论所描述的RKKY、双交换以及铁磁超交换等磁交换作用,导致样品表现出宏观顺磁性。 2. Mn掺杂Ge基稀磁半导体薄膜的结构研究 利用XAFS、XRD、AFM和拉曼光谱等方法研究了Ge1-xMnx稀磁半导体薄膜的形貌和结构特征。AFM结果显示,随着Mn的掺杂量的增加,Ge1-xMnx稀磁半导体薄膜样品表面粗糙度显著增加。XRD结果表明,在Mn含量较低(7.0%)的样品中,只能观察到对应于多晶Ge的XRD衍射峰,而对Mn含量较高(25.0%、36.0%)的样品则明显出现相的衍射峰,且Ge3Mn5的比例随着Mn含量的增加而增加。XAFS结果表明,在Mn的含量较低(7.0%)的样品中,Mn主要以替代位的形式存在,占75%左右的;在Mn含量较高(25.0%、36.0%)的样品中,除了一小部分替位式的Mn原子以外,大部分Mn原子以Ge3Mn5化合物的形式存在。结合拉曼光谱和Ge K边EXAFS谱发现,随着Mn的掺杂含量的增加Ge的结晶有序性变差,并且从拉曼谱上可以发现在Mn的含量较高的样品中Ge晶格有明显的膨胀。