Mn掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的铁磁性与调制研究

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ZnO基稀磁半导体综合利用了电子的电荷属性和自旋属性,具有优异的磁、磁光、磁电性能,在自旋电子器件等领域具有广阔的应用前景。获得具有室温铁磁性的高质量ZnO稀磁半导体薄膜并充分理解其铁磁性的微观起源机制,是ZnO基自旋器件实现实际应用的基本前提。本文首先采用脉冲激光沉积法制备Zn0.98Mn0.02O薄膜,研究了制备工艺对薄膜生长和性能的影响;然后,利用第一性原理计算了不同价态氧空位出现时Mn掺杂ZnO体系磁基态的总能,并结合实验研究详细探讨了Zn0.98Mn0.02O薄膜的铁磁性起源机制；最后,在Pt衬底上制备了Bi3.15Nd0.85Ti3O12/Zn0.98Mn0.02O异质结,研究了外电场对Zn0.98Mn0.02O薄膜室温铁磁性的调制效应。主要研究内容与结论可以归纳如下:
　　(1)采用脉冲激光沉积法制备了Zn0.98Mn0.02O薄膜,分别改变沉积温度(450、550、650、750℃)、氧气分压(0、1、10、50、100 mTorr)、激光能量(260、350、400、450 mJ),并将部分样品在O2中退火,研究了制备工艺对薄膜晶体结构、表面形貌和铁磁性能的影响。
　　(2)利用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了分别含有不同价态(中性、+1和+2)的氧空位时,Mn掺杂ZnO体系的铁磁态和反铁磁态的总能差△E。计算结果显示,△E分别为-77.95 meV、62.97 meV和25.84 meV,说明只有+1和+2的氧空位可以诱导铁磁性,而中性的氧空将诱导反铁磁性。
　　(3)用束缚磁极化子模型成功解释了Zn0.98Mn0.02O薄膜室温铁磁性的微观起源机制。Zn0.98Mn0.02O薄膜中的氧空位和近邻的磁性Mn2+发生交换作用形成束缚磁极化子,近邻束缚磁极化子的能级重叠会形成自旋-自旋杂质能带,通过氧空位耦合的Mn2+-Mn2+远程交换作用将导致铁磁性的产生。当铁磁性耦合作用强烈到足以克服反铁磁性耦合竞争时,体系将显示宏观铁磁性。
　　(4)在Pt衬底上制备了Bi3.15Nd0.85Ti3O12/Zn0.98Mn0.02O异质结,并对异质结施加不同方向和大小的电压VG,改变Bi3.15Nd0.85Ti3O12铁电薄膜的极化状态,观察到了Zn0.98Mn0.02O薄膜室温铁磁性的明显变化;最后,从电场改变载流子浓度和分布的角度分析了外电场调制铁磁性的微观机制。

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作者
胡臻;
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作者单位

湘潭大学;

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授予单位湘潭大学;
学科材料科学与工程
授予学位硕士
导师姓名王金斌;
年度 2012
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类磁性半导体、磁阻半导体;
关键词
稀磁半导体薄膜; 氧化锌; 猛掺杂; 脉冲激光沉积法; 室温铁磁性;

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