Mn摻雜ZnO稀磁半導體薄膜的鐵磁性與調制研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、ZnO基稀磁半導體綜合利用了電子的電荷屬性和自旋屬性,具有優(yōu)異的磁、磁光、磁電性能,在自旋電子器件等領域具有廣闊的應用前景。獲得具有室溫鐵磁性的高質量ZnO稀磁半導體薄膜并充分理解其鐵磁性的微觀起源機制,是ZnO基自旋器件實現(xiàn)實際應用的基本前提。本文首先采用脈沖激光沉積法制備Zn0.98Mn0.02O薄膜,研究了制備工藝對薄膜生長和性能的影響;然后,利用第一性原理計算了不同價態(tài)氧空位出現(xiàn)時Mn摻雜ZnO體系磁基態(tài)的總能,并結合實驗研究詳

2、細探討了Zn0.98Mn0.02O薄膜的鐵磁性起源機制；最后,在Pt襯底上制備了Bi3.15Nd0.85Ti3O12/Zn0.98Mn0.02O異質結,研究了外電場對Zn0.98Mn0.02O薄膜室溫鐵磁性的調制效應。主要研究內容與結論可以歸納如下:
　　(1)采用脈沖激光沉積法制備了Zn0.98Mn0.02O薄膜,分別改變沉積溫度(450、550、650、750℃)、氧氣分壓(0、1、10、50、100 mTorr)、激光能量(

3、260、350、400、450 mJ),并將部分樣品在O2中退火,研究了制備工藝對薄膜晶體結構、表面形貌和鐵磁性能的影響。
　　(2)利用基于密度泛函理論的第一性原理,計算了分別含有不同價態(tài)(中性、+1和+2)的氧空位時,Mn摻雜ZnO體系的鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)的總能差△E。計算結果顯示,△E分別為-77.95 meV、62.97 meV和25.84 meV,說明只有+1和+2的氧空位可以誘導鐵磁性,而中性的氧空將誘導反鐵磁性。

4、>　　(3)用束縛磁極化子模型成功解釋了Zn0.98Mn0.02O薄膜室溫鐵磁性的微觀起源機制。Zn0.98Mn0.02O薄膜中的氧空位和近鄰的磁性Mn2+發(fā)生交換作用形成束縛磁極化子,近鄰束縛磁極化子的能級重疊會形成自旋-自旋雜質能帶,通過氧空位耦合的Mn2+-Mn2+遠程交換作用將導致鐵磁性的產生。當鐵磁性耦合作用強烈到足以克服反鐵磁性耦合競爭時,體系將顯示宏觀鐵磁性。
　　(4)在Pt襯底上制備了Bi3.15Nd0.85Ti

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