锰掺杂锌砷基稀磁半导体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2薄膜的制备与物理性质研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:hulaxiazai
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本文使用脉冲激光沉积的方法首次成功地制备了锰掺杂锌砷基II-II-V族稀磁半导体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2薄膜。薄膜的制备方法与物理性质的研究主要包括以下几个部分:1.为了制备、研究在空气中较为敏感的材料的薄膜,我们开发、研制了集脉冲激光沉积、X射线衍射、光刻、金属电极沉积、引线键合、低温电输运测量等于一体的综合研究系统,以上的操作均在不受空气影响的保护性气氛下进行。2.我们在 Si、SrTiO3、LaAlO3、(La,Sr)(Al,Ta)O3 和 MgAl2O4 等多种单晶衬底上,首次成功地制备了单相、单向外延的锰掺杂锌砷基稀磁半导体Ba1-xKx(Zn1-yMny)2As2(x=0.03、0.08,y=0.15)薄膜。当 x=0.03时,薄膜具有相对较高的电阻率、较弱的磁性和较大的能隙,而当x=0.08时,薄膜具有更好的导电性和更优的磁性能。在(La,Sr)(Al,Ta)O3衬底上生长的x=0.08的薄膜中发现了很强的磁晶各向异性,其磁矩极化方向与薄膜的生长方向几乎平行。在获得高质量稀磁半导体薄膜的基础上,我们首次成功地制备了由晶格结构相同的磁性半导体薄膜与铁基超导体薄膜集成的外延异质结。3.通过对锌砷基稀磁半导体Ba0.92K0.08(Zn0.85Mn0.15)2As2薄膜的进一步研究,我们发现:(1)存在长程铁磁有序与短程反铁磁有序之间的竞争;(2)薄膜的低温电导率符合莫特变程跃迁电导定律,即ln(σ)~T-1/4;(3)磁电导率与磁化强度的平方成正比,比例因子与T-1/2相关;(4)空穴载流子处于安德森定域态,由于同时存在磁性Mn2+离子,薄膜中形成束缚磁极子(BMP),每个BMP内部因为存在p-d交换作用形成铁磁序,而在BMP之间通过载流子跃迁形成长程铁磁有序;(5)载流子在薄膜中比在多晶中更定域化的原因是拉应力导致的As原子层间距(di)的增大,这种变化还可能会使同一掺杂下样品的居里温度向高温移动。4.鉴于单晶衬底自身的磁性信号对薄膜的磁性测量的影响,我们系统地研究了多种钙钛矿氧化物、氧化镁和硅等单晶的磁性质。直接的磁信号测量显示,它们的磁性是由内禀抗磁性、铁磁性、以及磁性杂质引起的顺磁性三部分构成。利用不同类型磁信号的不同特征,我们可以分别得到单晶衬底的三种磁信号,并讨论它们对一定体积的磁性薄膜的测量的影响。我们发现,硅单晶衬底的顺磁性部分对薄膜的磁性的测量影响是最小的,并由此提出了一种更精确地获得薄膜的本征的磁信号的方法。此外,我们讨论了不同单晶衬底的抗磁性随温度的变化率dχ/dT的大小与符号,这种变化在前人的工作中通常被忽略。
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