【摘 要】
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相变磁性材料作为一种同时具备相变特性和稀磁半导体特性的新型功能材料,始终受到研究者们的广泛关注。磁性离子掺杂的GeTe基材料就属于相变磁性材料的一种,总结前人对它的研
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相变磁性材料作为一种同时具备相变特性和稀磁半导体特性的新型功能材料,始终受到研究者们的广泛关注。磁性离子掺杂的GeTe基材料就属于相变磁性材料的一种,总结前人对它的研究成果我们发现,无论是用何种磁性离子对GeTe进行掺杂,所得的材料均为空穴导电而不是电子导电。为了扩展GeTe基相变磁性材料的功能特性,制备出N型GeTe基的相变磁性材料显得尤为重要。在本研究工作中,我们利用Bi元素部分替代Ge元素的方法成功制备出N型Ge0.96-xBixFe0.04Te薄膜,并对薄膜的电输运特性以及磁性机理进行了系统地研究。我们通过脉冲激光沉积的方法在单晶BaF2衬底上外延生长了Ge0.8Bi0.2Te、Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te、Ge0.64.64 Bi0.32Fe0.04Te三种组分的薄膜。原子力显微镜测试结果显示薄膜表面平整,厚度大约为400 nm。XRD测试结果表明,三种薄膜都属于面心立方结构,晶格结构中存在孪晶。通过计算晶格常数发现三种薄膜与BaF2之间均存在张应力,且随着Bi掺杂量的增加,晶格常数进一步增大,表明Bi元素已经掺杂到GeTe晶格中,进而导致薄膜整体的晶格常数变大。XPS测试结果表明,薄膜中Ge、Fe、Bi元素均已与Te元素结合成键。通过综合物性测试系统对薄膜的电输运特性进行了研究,发现三种薄膜的电输运行为均呈现半导体特征。Hall效应测试结果表明体系中载流子是电子,并且当Bi掺杂量增加到32%时,材料的载流子浓度进一步升高为1021/cm3量级。使用超导量子干涉仪测试了Ge0.96-xBixFe0.04Te薄膜的磁性行为,发现高Bi掺杂量的Ge0.64Bi0.32Fe0.04.04 Te薄膜显示出铁磁性,而低Bi掺杂量的Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜不显示铁磁性,表明Bi元素掺杂量的提高是导致铁磁作用形成的关键。在Ge0.96-xBixFe0.04Te体系中,提高Bi的含量能够提高材料的电子载流子浓度进而促进载流子有效地传递RKKY相互作用。第一性原理计算的结果表明,在Ge0.96-xBixFe0.04Te这种材料体系中,Bi的掺杂有利于分散的Fe原子对之间形成长程的铁磁相互作用,这在理论计算层面上对薄膜的磁性测试结果作出了解释。
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