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稀磁半导体是一类同时利用电子的电荷属性和自旋属性的自旋电子材料,具有重要的应用价值。近年来,对于稀磁半导体的制备技术和物理性质的研究逐渐成为凝聚态物理和材料科学研究领域的热点之一。特别是基于硅的稀磁半导体,因其与传统的半导体材料相兼容,而格外受到关注。基于以上考虑,本文选取几种基于Si的稀磁半导体作为研究对象,系统地研究了其制备方法和电磁性质,以期对此类稀磁半导体有一个更深入的认识。主要研究内容如下:
⑴利用电弧熔炼方法制备了Mn掺杂的Si1-xMnx(x=0、0.005、0.01、0.015)多晶系列样品,并对其电磁性质进行了研究。磁性测量结果发现在250K以下所有掺杂样品均呈现铁磁性,随掺杂量的增加其居里温度单调升高。在其磁转变温度附近有明显的金属一绝缘体转变现象出现。另外,在低温区观察到反常霍耳效应。
⑵利用Bridgman单晶生长方法制备出Mn掺杂Si稀磁半导体单晶样品。研究发现对于不同导电类型的Si母体,Mn掺杂均能诱导出室温铁磁性,且铁磁相互作用因空穴调制而增强,并与Si中载流子的类型密切相关。特别地,对于母体为p型Si的掺杂样品,其磁转变温度高达550K。上述实验结果可用束缚磁极化子的磁渗流理论来解释。
⑶研究了Mn掺杂的Si1-xMnxC(0≤x≤0.1)稀磁半导体样品的电磁性质。利用固相反应法制备出Mn最大掺杂量为x=0.1的粉未样品。实验发现所有掺杂样品都存在明显的顺磁一铁磁转变,其磁转变温度随Mn掺杂量的增加从205K(x=0.01)逐渐升高到250K(x=0.05)左右。但当掺杂量达到0.05后,进一步增加掺杂量其转变温度其本上保持不变。所有掺杂样品与其母体一样,呈现半导体导电特征。上述结果可用空穴传递的相互作用和Mn的d电子与周围悬挂的C键的杂化理论进行解释。
⑷通过磁性金属元素掺杂和控制载流子的类型以及浓度,可以获得具有较高磁转变温度的基于Si的稀磁半导体材料。这为提高稀磁半导体的磁转变温度提供了重要的参考;同时,也使稀磁半导体的应用成为可能。