受主掺杂SnO2基稀磁半导体的结构及磁性的研究

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随着时代的进步和科技的发展,人们已经进入到信息时代。器件的小型化和高储存密度要求信息的处理和存储能够同时进行。信息的处理所利用的是电子的电荷属性,是由半导体材料来完成的。信息的存储则是利用电子的自旋属性,是由磁性材料来完成的。其中,稀磁半导体兼具电子的电荷和自旋属性,可以用来制造处理和储存信息的电子器件,受到了极大的关注。SnO2就是其中一种性能优良的宽禁带透明氧化物半导体。然而,在过去很长一段时间范围内人们并没有将研究中心放在SnO2上。随着其他氧化物半导体(例如ZnO、In2O3等)发展进入瓶颈期,SnO2慢慢成为研究主流,且有望发展成为实用性的新型电子材料。本文利用射频磁控溅射的方法,在Si(100)衬底和超白玻璃上沉积了Fe掺杂SnO2薄膜和N掺杂SnO2薄膜。基于XRD、XPS、XAFS、SQUID、PL、UV等结构表征和性能测试手段,揭示磁性能的本质,并阐述受主掺杂型SnO2薄膜本征室温铁磁性的起源。(1)Sn1-x FexO2(x=0,0.023,0.042,0.075)薄膜。Fe掺杂并没有破坏SnO2的四方金红石晶格结构,但是随着Fe掺杂浓度的增加,薄膜的结晶性下降。利用XAFS研究Fe的局域结构,结果显示在Fe掺杂浓度范围内,没有金属Fe团簇或者相关氧化物生成,所掺杂的Fe原子以Fe2+/Fe3+两种价态共存的形式进入到SnO2晶格中替位Sn位置,Fe 2p的XPS图谱证明Fe2+/Fe3+是共存的。Feff 9.0拟合结果证明,Fe替位Sn的同时伴随有氧空位生成以补偿电荷的非平衡态,非对称的O 1s XPS图谱证明存在氧空位。所有薄膜都表现本征室温铁磁性,且饱和磁化强度Ms与Fe的掺杂浓度正相关。Fe掺杂浓度的增加对应载流子浓度的大幅度下降。当Fe掺杂浓度为7.5%时,薄膜样品表现为高绝缘态,说明载流子浓度很低,且与饱和磁化强度Ms负相关,排除由载流子诱导产生铁磁性的可能性。氧空位所形成的束缚磁极化子可能对所检测到的室温铁磁性起到重要作用。(2)SnO2-x Nx(x=0,0.038,0.091,0.130)薄膜。在真空条件下,通过改变Ar/N2的流量比,制备N掺杂SnO2薄膜。在整个N掺杂浓度范围内,薄膜样品都保持四方金红石结构不变。N 1s XPS图谱证明N以N-3形式存在,并且无Sn-N键生成,O 1s XPS图谱证明晶格中存在氧空位。随着N掺杂浓度的增加,特征峰的峰位并没有发生大幅度位移,但是氧空位所占比例明显增加。PL发光光谱中的紫外-可见发光峰所对应的是氧缺陷,发光峰的强度与N掺杂浓度正相关,证明随着N掺杂浓度的增加,氧缺陷的浓度不断增加。薄膜样品都具有半导体特性,利用Mott变程跃迁和硬带跃迁机制组合输运模型进行拟合。在低温条件下,其输运机制主要由Mott变程跃迁主导,在高温条件下,由硬带跃迁机制主导,证明了载流子具有强局域性。所有薄膜样品在室温条件下都具有本征铁磁性,且饱和磁化强度Ms与N掺杂浓度正相关。利用氧空位所诱导产生的束缚磁极化子模型来解释铁磁性的起源最为合理。
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