SiC基稀磁半导体材料的制备、结构与磁性研究

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1、硕 士 学 位 论 文SiC 基稀磁半导体材料的制备、结构与磁性研究学 科 、 专 业 ： 凝 聚 态 物 理研 究 方 向 ： 稀 磁 半 导 体 材 料申 请 学 位 类 别 ： 理 学 硕 士申 请 人 ： 吕 志 聪指 导 教 师 ： 郑 海 务 副 教 授二 一 三 年 五 月单位代码 10475学 号 104753101013分 类 号 O469Preparation, structure and magnetic properties ofSiC-based diluted magnetic semiconductorsA Dissertation Submitted toThe

2、 Graduate School of Henan Universityin Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree ofMaster of ScienceByLv ZhicongSupervisor: Associate Prof. Zheng HaiwuMay, 2013关 于 学 位 论 文 独 创 声 明 和 学 术 诚 信 承 诺本 人 向 河 南 大 学 提 出 硕 士 学 位 申 请 。 本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导师 的 指 导 下 独 立 完 成 的 ， 对

3、所 研 究 的 课 题 有 新 的 见 解 。 据 我 所 知 ， 除 文 中 特 别 加 以 说 明 、标 注 和 致 谢 的 地 方 外 ， 论 文 中 不 包 括 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 括 其他 人 为 获 得 任 何 教 育 、 科 研 机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 事 对本 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 了 明 确 的 说 明 并 表 示 了 谢 意 。在 此 本 人 郑 重 承 诺 ： 所 呈 交 的 学 位 论 文 不 存

4、在 舞 弊 作 伪 行 为 ， 文 责 自 负 。学 位 申 请 人 （ 学 位 论 文 作 者 ） 签 名 ：201 年 月 日关 于 学 位 论 文 著 作 权 使 用 授 权 书本 人 经 河 南 大 学 审 核 批 准 授 予 硕 士 学 位 。 作 为 学 位 论 文 的 作 者 ， 本 人 完 全 了 解 并 同意 河 南 大 学 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 要 求 ， 即 河 南 大 学 有 权 向 国 家 图 书 馆 、 科 研 信 息机 构 、 数 据 收 集 机 构 和 本 校 图 书 馆 等 提 供 学 位 论 文 （ 纸 质 文 本 和 电 子 文

5、本 ） 以 供 公 众 检索 、 查 阅 。 本 人 授 权 河 南 大 学 出 于 宣 扬 、 展 览 学 校 学 术 发 展 和 进 行 学 术 交 流 等 目 的 ， 可以 采 取 影 印 、 缩 印 、 扫 描 和 拷 贝 等 复 制 手 段 保 存 、 汇 编 学 位 论 文 （ 纸 质 文 本 和 电 子 文 本 ）。（ 涉 及 保 密 内 容 的 学 位 论 文 在 解 密 后 适 用 本 授 权 书 ）学 位 获 得 者 （ 学 位 论 文 作 者 ） 签 名 ：201 年 月 日学 位 论 文 指 导 教 师 签 名 ：201 年 月 日摘 要稀 磁 半 导 体 (Dilut

6、ed Magnetic Semiconductors-DMSs)是通过在传统半导体中掺入少量 过 渡 金 属 元 素 或 稀 土 元 素 离 子 后 形 成 的 。 近 年 来 ， 由 于 DMSs 能 够 同 时 应 用 电 子 的 电荷 与 自 旋 属 性 ， 因 此 受 到 了 人 们 的 广 泛 关 注 。 DMSs 在 磁 、 磁 光 和 磁 电 等 方 面 的 优 异 性质 ， 使 其 发 展 成 为 自 旋 电 子 器 件 等 领 域 的 理 想 材 料 。 作 为 重 要 的 宽 带 隙 半 导 体 材 料 之 一 ，SiC 具 有 高 热 导 率 、 高 临 界 击 穿 电

7、压 、 高 饱 和 漂 移 速 率 等 优 异 的 特 性 ， 因 此 在 稀 磁 半 导体 材 料 中 具 有 广 泛 的 应 用 前 景 。 不 同 制 备 方 法 制 备 出 的 SiC 基 稀 磁 半 导 体 ， 其 铁 磁 性 具有 不 同 的 温 度 范 围 ， 并 且 铁 磁 性 的 形 成 机 制 还 不 是 很 清 楚 。 获 得 室 温 铁 磁 性 ， 是 DMSs得以广泛实际应用的基本前提。最 近 几 年 ， 在 工 业 应 用 和 科 学 研 究 中 电 子 器 件 的 小 型 化 ， 使 得 一 维 半 导 体 材 料 比 薄膜 材 料 更 具 有 应 用 前 景 。

8、 纳 米 材 料 作 为 光 电 子 器 件 的 基 础 材 料 得 到 了 广 泛 研 究 ， 并 且 稀磁 半 导 体 纳 米 线 兼 顾 了 电 子 的 自 旋 属 性 使 得 其 在 纳 米 自 旋 器 件 方 面 具 有 重 要 的 应 用 。 本文 中 ， 我 们 采 用 气 -固 （ VS） 生 长 法 制 备 了 Fe 掺 杂 的 3C-SiC 纳 米 线 ， 并 对 样 品 的 结 构与 磁 性 进 行 了 表 征 分 析 。离 子 注 入 技 术 可 以 有 效 的 将 磁 性 离 子 掺 入 半 导 体 晶 格 中 ， 并 且 由 于 离 子 注 入 技 术 可以 进 行

9、 选 定 区 域 掺 杂 ， 因 此 受 到 了 人 们 的 广 泛 关 注 。 本 文 中 ， 我 们 分 别 进 行 了 N 离 子 注入 和 Cu 离 子 注 入 6H-SiC 单 晶 ， 并 对 样 品 进 行 了 表 征 分 析 。详 细 研 究 工 作 介 绍 如 下 ：（ 1） 利 用 高 纯 一 氧 化 硅 、 高 纯 石 墨 粉 、 高 纯 碳 纳 米 管 和 高 纯 铁 粉 为 原 料 ， 在 适 当的 压 强 、 气 流 和 温 度 条 件 下 ， 制 备 出 未 掺 杂 与 Fe 掺 杂 的 SiC 纳 米 线 。 采 用 X 射 线 衍射 仪 ， X 射 线 光 电

10、子 能 谱 仪 对 纳 米 线 进 行 了 物 相 结 构 和 价 键 价 态 分 析 ； 利 用 场 发 射 扫 描电 子 显 微 镜 和 透 射 电 子 显 微 镜 分 析 了 样 品 的 形 貌 、 微 结 构 特 征 ； 通 过 综 合 物 性 测 试 系 统对 样 品 进 行 了 磁 性 测 试 分 析 。 研 究 结 果 表 明 制 备 出 的 纳 米 线 是 3C-SiC。 纳 米 线 的 直 径范 围 是 50-200 纳 米 ， 长 度 达 到 几 十 微 米 。 结 合 高 分 辨 透 射 电 子 显 微 镜 图 谱 和 选 区 电 子衍射花样表明纳米线的生长方向是 111

11、， 晶 格 条 纹 间 距 大 约 为 0.248nm。 磁 性 测 试 结 果显 示 Fe 掺 杂 SiC 纳 米 线 具 有 室 温 铁 磁 性 。 我 们 认 为 Fe 的掺杂和缺陷共同影响着局域磁 矩 和 聚 集 磁 化 。 除 此 以 外 ， 由 于 纳 米 线 具 有 较 高 的 表 面 体 积 比 ， 其 铁 磁 性 的 产 生 也 可I能 与 未 补 偿 自 旋 和 表 面 各 向 异 性 有 关 。（ 2）对 n 型 6H-SiC(0001) 单晶片进行室温 160 keV N 离 子 注 入 ， 注 入 剂 量 为21016/cm2 和 11017cm-2。 为 避 免 沟

12、 道 效 应 ， 注 入 时 样 品 表 面 法 向 与 离 子 束 方 向 偏 离 7o。将 注 入 后 的 样 品 在 N2 气 氛 下 850oC 快速退火 10 分 钟 便 得 到 N 离子注入 6H-SiC 单 晶 样品 。 通 过 X 射线衍射仪，原子力显微镜，正电子湮没多普勒展宽谱、寿命谱及超导量子 干 涉 仪 等 对 6H-SiC 单 晶 样 品 的 结 构 、 形 貌 、 微 结 构 缺 陷 以 及 磁 学 性 能 进 行 了 研 究 。测 试 结 果 表 明 6H-SiC 单晶样品离子注入后没有团簇或者第二相的出现，并且样品表面变 得 粗 糙 。 正 电 子 湮 没 寿 命

13、 谱 测 试 结 果 显 示 样 品 中 主 要 的 缺 陷 类 型 是 硅 单 空 位 。 N 离 子注 入 6H-SiC 单 晶 样 品 的 室 温 铁 磁 性 可 能 是 由 于 样 品 中 的 硅 单 空 位 和 N 替 代 C 原 子 共 同产 生 的 。（ 3） 室 温 下 对 n 型 6H-SiC(0001) 单 晶 片 进 行 能 量 200 keV 的 Cu 离 子 注 入 ， 注 入剂 量 为 81015/cm2。 注 入 时 样 品 表 面 法 向 与 离 子 束 方 向 偏 离 7o 以 避 免 产 生 沟 道 效 应 。 样品 在 N2 气 氛 下 850oC 快 速

14、 退 火 15 分 钟 。 X 射 线 衍 射 仪 和 X 射 线 光 电 子 能 谱 仪 测 试 没有 发 现 与 铁 磁 相 关 的 第 二 相 。 正 电 子 湮 没 寿 命 谱 测 试 结 果 表 明 样 品 中 主 要 的 缺 陷 类 型 是硅 单 空 位 ， 并 且 缺 陷 浓 度 在 离 子 注 入 后 增 大 。 Cu 离 子 注 入 6H-SiC 单 晶 样 品 的 室 温 铁 磁性 可 能 是 由 于 样 品 中 的 硅 单 空 位 和 Cu 替 代 Si 原 子 共 同 作 用 的 结 果 。关 键 词 ： SiC， 稀 磁 半 导 体 ， 结 构 ， 磁 性IIABST

15、RACTDiluted magnetic semiconductors can be formed by doping transition metal or rare-erarh ions intoconventional semiconductors. In recent years, DMSs have attracted considerable attention due to theirpossibility of manipulating charge and spin degrees of freedom in a single material. DMS are one of

16、 themost promising materials for potential application in spintronic device due to their favorable magnetic,magneto optical, and magneto electrical properties. As one of the most important wide-gap semiconductors,SiC was considered as a promising DMSs matrix material due to its outstanding intrinsic characters such ashigh thermal conductivity, high breakdown