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稀磁半导体材料是通过在非磁性的半导体材料中引入过渡金属元素而使得该种材料同时具有磁性和半导体性。它将自旋和电荷自由度融合在了一起,为探索新型的功能电子器件打下基础,也由此引发了人们日益高涨的研究热情,代表未来新功能器件的主要发展方向。目前,大量的研究集中在如何制备高质量、高居里温度的稀磁半导体材料。其中以过渡金属掺杂Ⅱ-Ⅴ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料为代表,并取得了一定的成就。比如在一些材料如GaAs、ZnO等材料进行掺杂后,确实得到了比较高的居里温度。 本文的研究主要通过实验的方法来制备磁性半导体材料,我们利用了多种实验方法,在InAs材料中掺入Mn离子,形成InMnAs,并测得了较高的居里温度。在InP材料中,掺入Fe离子,使原本不具备磁性特征的材料,获得了稳定的铁磁性。利用了不同的测试手段,对制备的稀磁半导体材料进行了组份、形貌、表而特性、晶体结构、磁学性质、电学性质等一系列材料特征进行分析,测试。并借助第一性原理,对材料的电子结构、磁学性质进行了理论的分析和计算。具体包括以下内容: 1、在InAs单晶材料中掺入金属磁性元素,使得本身没有磁性的InAs材料变成具有磁性的稀磁半导体,InAs中引入了新的磁光、磁输运特性等。本文利用p型InAs样品进行真空镀膜、高温退火、化学清洗等一系列步骤,在800度的退火条件下,经过20个小时,将Mn离子成功的掺杂到InAs材料中,使样品出现磁性。 2、用SQUID在磁场背景10000e的条件下,对具有磁性的样品进行了测试,可以看到在0-300k的测试温度范围内,样品的铁磁性信号保持恒定。利用XRD测试表明,没有发现新的MnAs、In-Mn次生相出现。因此InMnAs材料本身具备较为稳定的铁磁性。通过霍尔效应和XRD测试结果进行比对,发现样品在Mn掺杂后载流子(空穴)浓度的增加并伴随有X射线衍射峰的微弱移动,表明Mn替代了In离子的位置。 3、通过第一性原理的计算,对材料的电子结构进行分析可以看到,铁磁性和反铁磁性的能量差为-181meV,这说明了InAs∶Mn的体系中,铁磁性还是非常稳定的。通过利用p-d耦合模型进行分析,表明观察到的室温铁磁性是Mn掺杂InAs的内禀性质,而且铁磁性的起源机制主要为p-d耦合。 4、而后在InP材料中掺入Fe离子的实验进行研究,先利用第一性原理进行理论计算和分析,预测了InP掺Fe的电子结构和磁性特征,并且计算得到其铁磁性序列的主要来源是t2-t2耦合。 5、利用SQUID仪器测量Fe掺杂InP材料的M-T曲线,进而得到ZFC-FC曲线分析得到两者都表现为顺磁性。从测得样品的磁滞回线可以看出,在150k时,InP样品中掺杂Fe具有很明显的铁磁性,实验验证Fe的电子介入引起了铁磁性。