In2O3基薄膜的d0铁磁性及光、电特性研究

来源 :天津大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:CT1978
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d0铁磁性是近年来出现的一种新的磁现象,它突破了传统的由部分填充的d或f电子的磁性原子所构成的磁性材料,实现了非磁物质的室温铁磁性。其出现不仅给当前的磁性理论体系提出了新的挑战,且有效地规避了稀磁半导体中难以排除铁磁性第二相的问题,因此,对d0铁磁性材料进行研究对磁性半导体的铁磁性起源及其在半导体器件中的应用具有现实的指导意义。氧化铟(In2O3)作为一种宽禁带半导体具有很好的光、电和气敏特性,但难以获得稳定的p型导电和室温铁磁性阻碍了其更广泛的应用。为此,本文针对纯的及氮掺杂氧化铟薄膜的结构、铁磁性、光学及电学特性进行了系统的研究。主要开展了如下工作:1.利用射频磁控溅射制备了沿(222)方向取向生长的多晶In2O3薄膜,系统地分析了生长氛围和真空退火对In2O3薄膜的结构、光学、电学及铁磁特性的影响。结果发现,对于纯的In2O3薄膜,当氧氩流量比为15:15时会发生导电类型由n型向p型的转变,表明通过调节制备过程中氧氩流量比可有效地调控样品内的载流子类型;薄膜中存在室温铁磁性,其饱和磁化强度的大小随氧氩流量比的增大呈非单调变化,在不同导电区域内薄膜的磁性起源不同;另外,对In2O3薄膜进行真空退火处理后,发现真空退火可有效地增强薄膜的铁磁性,样品的饱和磁化强度由0.5增强为5.5emu/cm3。2.利用磁控溅射和热氧化法制备了氮掺杂的In2O3薄膜,系统地分析了生长气氛、退火温度及时间对N-In2O3薄膜的结构、带隙及磁性的影响。结果发现,对于用磁控溅射法制备的N-In2O3薄膜,在低于氮的溶解度极限时,薄膜的饱和磁化强度随N2流量的增大逐渐增强,在氮氩流量比为10:20时获得最大值3.5emu/cm3,表明N的引入可有效地增强薄膜的室温铁磁性;同时,随着N2流量的增加,薄膜的结构会出现由方铁锰的In2O3结构向纤锌矿的InN结构的转变,光学带隙由3.74eV单调递减为2.25eV,即N掺杂能在一个很大的能量范围内对In2O3薄膜的带隙进行调节。此外,合理地控制InN薄膜的热氧化温度和时间也可以实现N的掺杂并有效地增强In2O3薄膜的铁磁性。在500oC下对InN薄膜进行热氧化并控制氧化时间为2小时可得到最大饱和磁矩4.5emu/cm3。
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