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1、目 录摘 要：11 绪论21.1 自旋电子学的简介21.2 稀磁半导体的研究概述31.3 稀磁半导体的物理性质32 DMS的研究现状、材料的制备方法及其磁性的探索52.1 DMS的研究现状52.2 ZnO的掺杂薄膜的制备方法以及优缺点72.3 Mn掺杂的ZnO薄膜72.4 Co掺杂的ZnO薄膜92.5 其它过渡族元素掺杂的ZnO薄膜113 DMS的应用前景134 结论14参考文献14 / 文档可自由编辑打印新型DMS材料的存储特性与应用前景摘 要： 稀磁半导体(简称DMS)是集电子的电荷和自旋于一体，使之具有了半导体的电荷运输特性和磁性材料的信息存储特性，是一种新型的功能材料，被认为是2l世纪
2、最重要的电子学材料。由于磁性元素的掺入，稀磁半导体具有了一些奇特的性质。稀磁半导体具有存储特性的这一特征是目前国际上研究的热门课题，研究最为广泛的是过渡族金属掺杂的ZnO所制成的DMS。尽管理论上和实验上都已经取得了很好的结果，但是仍然有许多问题(如磁性起源）有待于进一步解决。本文主要是在ZnO基DMS方面开展了一些讨论。关键词： 稀磁半导体；ZnO；磁性起源The memory properties and application prospects of new DMS materialsAbstract: Much of the attention on magnetic semicon
3、ductor materials(abbreviation is DMS) is due to its potential application in what is now called “spintronics” devices,which exploit spin in magnetic materials along with charge of electrons in semiconductors, and DMS is considered the most important Electronics materals in the 21 century. Due to the
4、 incorpration of magnetic ions,DMS exhibit some novel properties as compared to conventional semiconductors. The research on diluted magnetic semiconductors is one of the frontiers of modern physics. As one of the most promising DMS candidates,transition metals doped ZnO has been receiving great att
5、ention very recently. Although there have been many inspiring results in both theretic and experimental fields, some questionsare still to be further solved，such as the origin of the observedferromagenetism. Therefore,in this work,our attention has been centralized on ZnObased DMS.Key words: diluted
6、 magnetic semiconductor；ZnO；the origin of magetic1 绪论近年来，由于现代电子科技和电子产业的飞速发展，传统的电子工艺已经逐渐不能满足现有的对于器件小型化的需求，所以当前科技人员致力于在常规电子工艺中引入电子自旋，以期在半导体中同时利用载流子及其自旋，从而使将电子的自旋应用于存储、传输、处理量子信息成为可能。稀磁半导体由于兼具磁性物质及半导体的特性，易于与常规半导体工艺兼容。稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductor，简称DMS)，是指磁性过渡金属或稀土金属离子部分取代化合物半导体（通常为AB型）的阳离子，从而形成三
7、元或四元的化合物。由于微量的磁性原子的引入，改变了原有的半导体的微观机制，因此使稀磁半导体在磁学、电学、光学等方面具有极其独特的性质，如：巨负磁阻效应、增强磁光效应、反常霍尔效应等。本章简略介绍了自旋电子学、稀磁半导体的研究背景以及特定的物理性质。1.1自旋电子学的简介自旋电子学又称磁电子学，是以电子自旋或自旋为其核心研究内容。在自旋电子学中，信息的读取，传输和处理都是针对电子或核自旋来操作的。自旋电子学的出现是以1988年的巨磁阻(GMR)效应的发现为标志，如今GMR效应已经在商业上取得了巨大的成功，新一代的超高密度硬盘的磁头就是利用GMR原理。除此之外，磁随机存储也有望在将来取代基于CMO
8、S的非挥发性闪存。另一方面，电子自旋的天然二元性质，使其成为量子计算机的基本单元量子位的理想选择。但是这些应用最终能否实现都要依赖于对电子自旋的精确控制，也依赖于对其基本特性的了解。自旋电子学研究与电子的自旋和电荷都密切相关的物理现象。如何实现磁性与半导体性能的内部结合，将这两种性质结合起来探索新的功能材料，进一步增强半导体和磁性器件的性能，是研究的一个热点。然而稀磁半导体作为一种重要的自旋电子材料而受到广泛关注和研究。稀磁半导体作为一种新的半导体材料，它将自旋和电荷两个自由度集于同一基体，同时具备有磁性材料和半导体材料的特性，在自旋电子学以及光电子领域已经展现出非常广阔的应用前景，比如自旋阀
9、、自旋二极管、稳定的存储器、逻辑器件和高速的光开关等等，因此，无论在物理上，还是在应用上，稀磁半导体材料都是一个值得深入研究的课题。1.2稀磁半导体的研究概述稀磁半导体(diluted magnetic semiconductor,简称DMS)又称半磁半导体，是指由磁性过渡金属离子和稀土金属离子部分替代非磁性阳离子后形成的一类半导体材料。DMS材料由于具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在高密度非易失性存储器、磁感应器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有着广泛的应用前景，已成为当今材料研究领域中的热点。DMS材料在没有被外场作用下与非磁半导体具有相同的性质；但是受到外
10、场作用时则具有一定的磁性。其中最为重要的是其禁带宽度和晶格常数随掺入的磁性离子的浓度和种类的不同而变化，通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件。早期研究的稀磁半导体材料中主要是铕和铬的硫族化合物(岩盐结构：EuSe、EuO，尖晶石结构：CdCrS4、CdCrSe4)，这两类化合物兼备磁性和半导体的特性，它们在低温下显示出铁磁性，居里温度100 K。它们的光学性质和电学性质也随着外加磁场或材料内部磁有序状态的变化而变化，同时其磁性还可以通过掺杂浓度来控制。这些材料在上世纪已经得到了广泛的研究，展现出了一个半导体和磁性相互影响的新领域。最近，人们用少量磁性元素与II-VI族非磁性半导体形成的合
11、金，如(Cd，Mn)Te和(Zn,Mn)Se等，这些II-VI族稀磁半导体可以成为第二代磁性半导体。2000年Dietl T等1 预言掺Mn的p型半导体ZnO在室温具有铁磁性，从此掀起了人们对ZnO基DMS的研究热潮。本文中主要简述了国内外ZnO基DMS的研究状况。1.3稀磁半导体的物理性质1.3.1 磁学性质绝大部分的II-VI族半导体化合物都是抗磁性的，但是当过渡族或稀土族金属离子部分地，无序的替代了化合物中的非磁性阳离子之后，在磁学性质上发生了很大的变化。在实验上观测到的典型的特征有：i 在高温下，其磁化率表现为居里-外斯定律；ii 在适当的磁性离子浓度范围内，表现出自旋玻璃态；iii
12、某些DMS表现出磁化的形状各向异性；iv 某些DMS表现出铁磁性，而有些DMS表现出反铁磁性。1.3.2 光学性质实验和理论分析发现，DMS材料的光吸收特征明显受材料磁有序的影响。在低温磁有序的情况下，材料基本吸收边会由于磁有序作用而发生蓝移；而在高温完全磁无序的情况下，由于离子和带电子的交换作用使吸收边发生红移。1.3.3 稀磁半导体的相互交换作用磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位置形成稀磁半导体，通过局域自旋磁矩和载流子之间存在强烈的自旋-自旋交换作用，在外加电场或者磁场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生异于半导体基质的特性。自旋-自旋交换相互作用是DMS材料区别于非磁半导
13、体材料的关键，也是形成各种磁极化子的主要原因。在DMS中，交换作用包括类s导带电子和类p价带电子同磁性离子的d电子间的交换作用(sp-d 交换作用)和磁性离子的d电子间的交换作(d-d 交换作用)。Soalek等人分析了许多试验结果后发现在Mn基DMS中，决定交换积分大小的主要是最近邻Mn2+离子的距离。实验表明，在DMS中磁性离子问的交换作用是在畸变了的晶格中以阴离子为媒介的超交换作用。1.3.4 DMS的磁运输性质1.巨负磁阻效应磁性离子掺杂到半导体结构中形成DMS后，载流子自旋和磁性离子自旋之间存在交换耦合作用，磁性离子自旋可以产生铁磁性极化作用将载流子俘获在铁磁自旋簇中，形成磁束缚态极
14、子。随着外加磁场的增加，内部束缚态磁极化子(BMP)越来越多的被破坏掉，使更多的载流子被释放出来参与导电。因此，稀磁半导体样品在低温下呈现负的磁阻效应。HOhno2研究了的稀磁半导体材料，随Mn参杂浓度变化，样品呈现金属性及绝缘性能。实验发现，金属性样品的负磁阻性会随着温度T的降低而增强，当温度上升到时有最大值出现；绝缘性样品则是随着温度低于后，仍然有增强，并且在低温条件下，磁场对于磁阻的影响会更加显著。2. 金属一绝缘体转变在一定的载流子浓度范围之内，DMS的负磁阻效应会引起磁场感应绝缘体一金属转变，对一般非磁半导体材料，绝缘体一金属转变只能发生在很高的外加磁场下，但对DMS材料，只要在较低
15、的磁场下就能发生绝缘体一金属转变，而且这种转变是发生在磁场连续增加的情况下。3霍尔效应反常霍尔效应是由自旋-轨道相互作用产生的，正常霍尔效应正比于材料的载流子浓度的倒数，因此在铁磁体中，霍尔电阻率可以描述为 (1.1)其中R0表示零磁场的电阻值，B为外加磁场，为迁移率，Rs为薄层电阻。反常霍尔效应反映了铁磁体中载流子的自旋极化，因此在铁磁性半导体中发现反常霍尔效应是本质铁磁属性的有力证据。2 DMS的研究现状、材料的制备方法及其磁性的探索随着信息技术的发展，人们不断的从事稀磁半导体的研究，从而得到了大量的关于稀磁半导体的实验数据。本章主要叙述了目前国内外ZnO基稀磁半导体的研究现状和ZnO及其
16、掺杂薄膜的制备方法以及若干种金属元素掺杂的ZnO薄膜的磁性的探索。2.1 DMS的研究现状近年来，研究人员对稀磁半导体(DMS)的研究取得了相当大的进步，他们在探究了许多不同的半导体基体后，发现其中以II-VI族(如CdTe或ZnSe)为基可以获得大量的DMS，因为这些阳离子的化合价(+2)与普通磁性离子(如Mn)的化合价相互匹配。Mn掺杂II-VI族DMS有趣的磁、磁光、光等特性广泛地引起了国内外研究人员的兴趣。但是，II-VI族DMS里的磁交换作用受到Mn自旋中反铁磁交换作用的制约。并且经证实很难通过p型或n型载体来产生铁磁性的交换作用。事实上，迄今为止DMS也仅仅是在低温情况下才能成功获得铁磁
