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将半导体材料中的电子电荷自由度和磁性材料中的电子自旋自由度两大特性结合起来,是未来新功能器件的主要发展方向。稀磁半导体是通过在半导体中引入磁性离子而制备成的带有磁性的半导体材料,它为探索新型信息器件的研制打下了基础,也因此引起了人们广泛的研究热情。目前,主要的研究工作都集中在如何制备高质量、高居里温度的稀磁半导体材料上,其中过渡金属掺杂Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料已经得到了比较广发的研究,也在一些材料如GaAs、ZnO上获得了比较高的居里温度。
本文的研究工作主要是通过实验来制备磁性半导体材料。我们利用不同的实验方法在InAs材料和ZnS材料中分别掺杂了金属Mn和Fe。通过采用不同的测试手段对样品的磁学性质、晶体结构、组份、表面形貌等进行了分析,并利用第一性原理对样品的磁性结果做了理论上的解释。主要包括以下内容:
1、通过真空镀膜、高温退火、化学清洗等实验步骤,在p型Inhs单晶材料中掺杂了少量的Mn,制备了一系列InMnAs样品。挑选其中具有铁磁性结果的样品进行了M-T变化曲线和M-H变化关系的测试,结果显示在0-300K内样品磁化强度变化幅度小,铁磁信号保持平稳。在300K温度下测试样品仍有铁磁性。并且没有发现其他化合物的相。
2、对样品掺杂前后进行了霍尔效应和XRD的对比测试,其结果相互对应,载流子(空穴)浓度的增加和X射线衍射峰的微弱移动,都说明Mn离子掺杂InAs材料中并处于In离子的替代位置,并排除了样品中发现Mn-As等化合物相出现的可能。
3、通过第一性原理计算,我们分析了InMnAs样品的磁性结果。结果说明铁磁性起源的主要机制为p-d耦合,在p型InAs材料中算得到的铁磁态与反铁磁态能量差为-181 meV,说明在InAs:Mn系统中铁磁态是十分稳定。
4、通过金属有机化学气相外延(MOCVD)的实验方法,在GaAs衬底上生长了铁磁性材料ZnFeS。样品的M-T曲线和M-H曲线结果说明样品在100K的温度条件下具有铁磁性。从样品的XRD结果和原子力显微镜结果来看,没有发现带有磁性的其他相。
5、第一性原理计算结果说明,试验中观察到的铁磁性以及比较高的居里温度主要是由于样品中Fe离子和施主元素之间的p-d耦合作用。