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近年来,稀磁半导体由于它在自旋电子器件以及自旋半导体电子学、光电子学等方面的应用前景,引起了理论和实验界的广泛重视。基于(Ga,Mn)As材料的铁磁性的发现,Zener等人建立了模型对Mn掺杂GaN材料进行了理论上的预测,他们发现这种材料具有超过室温的居里温度。大量的实验表明:这种很有前景的稀磁半导体材料Mn掺杂GaN的居里温度不但依赖于磁性介质的浓度,而且取决于材料中空穴的浓度。因此,同时具有p型电导性和高浓度的磁性介质对于自旋电子器件是至关重要的。而与我们的合作单位的研究成果已经证实闪锌矿型(Ga,Mn)N是一种很有希望在室温条件下具有铁磁性的材料。
本文主要利用广延x射线吸收精细结构(EXAFS)和x射线衍射(XRD)方法对于闪锌矿型(Ga,Mn)N薄膜样品从实验和理论两方面联合进行了研究。掠入射荧光EXAFS方法详细研究了闪锌矿型(Ga,Mn)N的局域结构:Mn原子近邻各原子之间的键长、配位数等定量信息。对于不同掺杂浓度样品的理论研究表明高浓度掺杂样品相对于低浓度样品有特殊的第二相出现。这一结论在随后的XRD分析结果中得到了进一步证实。
在进行EXAFS方法研究以前我们对于Mn掺杂浓度分别为2.5%和10%的两个薄膜样品(Ga,Mn)N进行了XRD方法的研究。XRD的测试结果表明两个样品都是单晶闪锌矿结构(Ga,Mn)N,而且对两个样品的摇摆曲线的比较表明Mn掺杂浓度为10%的样品相对于Mn掺杂浓度为2.5%的样品的摇摆曲线有明显的宽化。随后我们利用掠入射荧光EXAFS方法来研究闪锌矿型(Ga,Mn)N的局域结构。在对Mn掺杂浓度为2.5%的样品的X射线吸收曲线进行了一系列的本底吸收校正、自由原子吸收的拟合与扣除、归一化等一系列处理之后,最后进行了理论拟合。拟合的结果给出的掺杂原子Mn的定量和定性的局域结构信息表明Mn掺杂基本上处于替代了Ga原子的位置,并且没有证据表明有其它相出现。对于闪锌矿型GaN来讲,Ga原子第一近邻N的键长和配位数分别为1.93A和4;与闪锌矿型(Ga,Mn)N样品中替位式Mn的情况不同——2.0A和3.4。当Mn原子替代了Ga原子的位置后Ga(Mn)-N键长的增加正好与配位数的减少相对应。而在对第一、第二和第三近邻个配位层原子拟合结果的比较发现Debye-Waller因子随着配位层数的增加而增加。联系径向分部函数可以看出因为Mn原子的掺入导致配位层原子缺失。这也为高浓度掺杂样品的分析提供了依据。在对Mn掺杂浓度为10%的样品的X射线吸收曲线的分析过程中我们采用了理论模拟的方法。我们在闪锌矿GaN结构基础上利用理论计算得到了Mn原子掺杂替位式、间隙式的X射线吸收曲线以及Mn团簇的X射线吸收曲线。并且在k空间对于它们进行了多次线性叠加,最终获得了与实验所得径向分部函数比较接近的模拟结果。结果表明,即使在高浓度的Mn掺杂的情况下,大部分Mn原子仍然处于替代Ga原子的状态下;而与Mn掺杂浓度为2.5%的样品不同,间隙式的Mn原子和Mn团簇在整个材料中占据了相当大的比例。而这些占据了GaN间隙位置的Mn和随机分布的Mn团簇将会对单晶材料产生剧烈的影响。而这种变化却不足以使得单晶体解体。这一点可以从我们的XRD结果看出来,高浓度掺杂样品仍然是一块单晶体。联系高浓度掺杂样品的摇摆曲线宽化,我们认为由于间隙式的Mn原子和Mn团簇的存在使得单晶材料出现了镶嵌块结构,从而导致了摇摆曲线的宽化。我们对于不同浓度的闪锌矿型(Ga,Mn)N材料从长程有序(xRD)和短程有序(EXAFS)两个方面进行了研究,对于以后进行近边XAFS的研究有着重要的意义。