磁控溅射法制备的锗薄膜以及过渡金属掺杂锗薄膜的特性研究

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Ge薄膜由于具有优异的电学,光学性能,被成功的应用于非易失性存储器和光电器件方面.近年来,稀磁半导体由于在自旋电子器件中的应用吸引越来越多的注意.过渡金属掺杂Ge薄膜同Si半导体具有兼容性,是一种很有潜能的半导体材料.因此研究过渡金属掺杂Ge薄膜对于分析稀磁半导体磁性的真正机理,产生新的结构特性,以及寻求更高的居里温度具有重要的意义.  首先,利用直流磁控溅射方法,在Si(100)基底上沉积了Ge薄膜,通过改变实验参数,得到最佳的沉积Ge薄膜条件:溅射功率为80W,溅射时间2h,基底温度500℃,溅射压强1.6Pa.通过X射线衍射(XRD)分析可知,Ge(220)方向为薄膜生长择优取向;拉曼光谱(Raman)同XRD结果相符合;分析扫描电子显微镜(SEM)图像显示薄膜表面结构致密,生长均匀,且晶粒呈圆形;通过近红外光谱分析可知,Ge薄膜的反射率随着压强的增大先增大后减小.  其次,利用直流磁控溅射法通过改变实验参数在Si(100)基底上沉积了不同浓度的Mn掺杂Ge薄膜(MnxGe1-x薄膜,x=0.02,0.05,0.1,0.3).XRD光谱显示MnxGe1-x薄膜与Ge晶体相比有相同的结晶取向,没有出现Mn,Mn-Ge化合物的衍射峰,表明Mn原子已经进入到Ge晶格中;浓度为2%,5%的Mn掺杂Ge薄膜与Ge薄膜相比有相同的(220)择优取向,而浓度为10%,30%的Mn掺杂Ge薄膜则由(220)择优取向转变为(111)择优取向.VSM分析显示薄膜具有室温铁磁性,随着Mn浓度的增加,薄膜的饱和磁化强度先增加后下降;当Mn浓度增加到10%饱和磁化强度达到最大为0.54emu/cm3,但是当Mn浓度进一步增加到30%时,薄膜的饱和磁化强度反而降低.  最后,利用直流磁控共溅射法通过改变Co靶的溅射功率在Si(100)衬底上沉积了Co掺杂MnxGe1-x薄膜.XRD分析显示Co靶溅射功率为20W[Co(20W)]时掺杂的MnxGe1-x薄膜仅仅显示Ge立方晶体结构,Co靶溅射功率为80W[Co(80 W)]掺杂的MnxGe1-x薄膜衍射峰的峰值较弱.Raman光谱显示Co(20 W)掺杂的MnxGe1-x薄膜同测得的XRD相一致并显示较强的拉曼信号.Co(80W)掺杂的MnxGe1-x(x=0.1,0.3)薄膜出现较宽的拉曼峰.这同XRD结果较低的结晶度相一致.能量分散X射线分析仪(EDX)结果显示Co(20W),Co(80W)掺杂的MnxGe1-x薄膜中金属Co含量分别为3.34%,51.2%.SEM图像显示薄膜均匀致密,Co(80W)掺杂的MnxGe1-x薄膜相对Co(20W)掺杂的MnxGe1-x薄膜有更大的粗糙度.VSM测量结果显示Co(20W),Co(80W)掺杂的MnxGe1-x薄膜室温下存在铁磁性.
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