Mn摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜的鐵磁性與調(diào)制研究.pdf

1、ZnO基稀磁半導(dǎo)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。獲得具有室溫鐵磁性的高質(zhì)量ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜并充分理解其鐵磁性的微觀起源機(jī)制,是ZnO基自旋器件實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)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(jì)算了不同價(jià)態(tài)氧空位出現(xiàn)時(shí)Mn摻雜ZnO體系磁基態(tài)的總能,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究詳

2、細(xì)探討了Zn0.98Mn0.02O薄膜的鐵磁性起源機(jī)制；最后,在Pt襯底上制備了Bi3.15Nd0.85Ti3O12/Zn0.98Mn0.02O異質(zhì)結(jié),研究了外電場對Zn0.98Mn0.02O薄膜室溫鐵磁性的調(diào)制效應(yīng)。主要研究內(nèi)容與結(jié)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(jié)構(gòu)、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(jì)算了分別含有不同價(jià)態(tài)(中性、+1和+2)的氧空位時(shí),Mn摻雜ZnO體系的鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)的總能差△E。計(jì)算結(jié)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(dǎo)鐵磁性,而中性的氧空將誘導(dǎo)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(jī)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(jí)重疊會(huì)形成自旋-自旋雜質(zhì)能帶,通過氧空位耦合的Mn2+-Mn2+遠(yuǎn)程交換作用將導(dǎo)致鐵磁性的產(chǎn)生。當(dāng)鐵磁性耦合作用強(qiáng)烈到足以克服反鐵磁性耦合競爭時(shí),體系將顯示宏觀鐵磁性。
　　(4)在Pt襯底上制備了Bi3.15Nd0.85Ti