论文部分内容阅读
人们对于信息的超高速、超高容量等不断创新纪录般的需求促使信息时代的发展;而信息时代对于信息处理和存储的不断需求促使具有优异性能的稀磁半导体的发展。巨磁矩和高居里温度是这一领域的研究焦点和追求目标。而SnO2作为一种宽禁带透明半导体材料其优良的性能能够满足这一需求。本文以SnO2为研究对象,利用磁控溅射方法制备了（Fe,Sb）共掺SnO2和（Fe,N）掺杂SnO2薄膜的稀磁半导体。同时对薄膜晶体结构、原子的局域结构、价态分析等进行表征,研究薄膜的光学性能、电学性能、磁学性能等,并更深一层次的掌握晶体的结构与磁性。利用不同的实验测试分析可以得出磁性的来源问题,并给出以下结论:（1）Sn0.97-xSb0.03FexO2（x=0,0.0023,0.0042,0.0078）薄膜。XRD分析得出所有的（Fe,Sb）共掺SnO2薄膜展现出良好四方金红石结构。XPS和EXAFS分析结果表明Fe离子存在Fe2+和Fe3+两种离子态形式进入到SnO2晶格中并未在样品中发现杂质。XANES分析结果证明了Fe离子替代晶格中Sn原子的位置。Hall测试分析结果表明了伴随了Fe浓度含量的变多,其载流子的含量就会随着减小,相应的电阻率就变大。电输运性质属于Mott变程跃迁与硬带跃迁机制。随着Fe掺杂浓度的增加,载流子的局域半径减小。EPR分析结果显示,Fe掺杂薄膜中存在大量的氧空位,这些氧空位的浓度随着掺杂量的增加而增加。UV测试结果得出所有薄膜拥有良好的透光性。Fe掺杂能够影响半导体的禁带宽度,Fe含量的增加会使带隙红移同时透光变差。薄膜的饱和磁矩随着Fe掺杂含量的增加不断增加,说明Fe掺杂会影响磁矩的大小。磁性来源排除了载流子机制对其影响,同时薄膜中未出现第二相,保证了磁性的本征性,氧空位的形成能够很好的证明磁性的来源可以归因于束缚磁极子机制。（2）(Sn1-x-x Fex)O1.982N0.018薄膜,x=0,0.023,0.042,0.075和Sn0.987Fe0.013(O2-yNy)薄膜,y=0,0.038,0.091,0.130。物相分析结果表明了（Fe,N）掺杂并没有改变整个晶体的原有结构,同时也没有观察到任何的杂质峰。。XANES测试结果可知Fe是以替位的形式掺杂进入到SnO2晶格中,且未在晶格中产生Fe团簇及其氧化物第二相。EPR测试结果显示,（Fe,N）掺杂都会产生氧空位,且氧空位的浓度随着单一元素掺杂含量的增加而增加,氧空位的产生可能来自于（Fe,N）分别替位锡和氧的点阵位置。这些氧空位的自旋密度影响到磁极子的极化程度其对磁性来源提供依据。PL分析得出随着掺杂浓度的增加,光致发光峰的强度不断增加,其在紫外可见光范围内发光峰所对应的位置是由氧空位的导致的。（Fe,N）掺杂的两组薄膜都展现出良好的导电性能,薄膜样品的输运特性为半导体性质,其导电性能随Fe含量的变化而增加。载流子具有较强的局域性,所有薄膜均表现出室温铁磁性。饱和磁化强度与掺杂浓度呈正相关性。因此,单电子氧空位扮演着n型载流子的角色,这些单电子氧空位浓度较低,且局域性较强对磁性的影响不强,相反这些电子的自旋极化形成磁极化子并对铁磁性产生贡献。同时薄膜的铁磁性也随之增加。束缚磁极子模型对解释（Fe,N）共掺SnO2薄膜的铁磁性的产生具有贡献作用。