Mn掺杂ZnO外延薄膜的局域结构及稀磁特性研究

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近年来,稀磁半导体(DMS)由于在自旋电子学器件方面的潜在应用而引起了广泛的关注。Dietl等人的理论计算预测,p型掺杂(Zn,Mn)0可能具有室温铁磁性。自从该工作发表以来,Mn掺杂ZnO体系引起了研究人员强烈的兴趣,成为稀磁半导体领域重点研究的材料之一。在近两年的实验结果报道中,(Zn,Mn)0中观察到了丰富的磁学现象,既有低温铁磁性和室温铁磁性也有顺磁、反铁磁。关于这些磁学特性的产生机理,尤其是铁磁性究竟是因为载流子与局域磁矩相互作用而产生还是源自与Mn相关的磁性分离相等根本性的问题都具有很大的争议。目前唯一普遍认同的一点就是,(Zn,Mn)O的磁性对制备方法和生长条件非常敏感。事实上,制备条件的影响最终都体现在样品的结构上。不同的制备条件得到不同的样品结构,从而决定了不同的磁学特性。因此,最根本问题就是要弄清楚体系的结构,尤其是掺杂Mn原子的局域结构,这对于解释铁磁性具有重要意义。 在本论文中,我们主要采用了MnK边广延x射线吸收精细结构(EXAFS)对(Zn,Mn)O样品进行了局域结构研究。作为一种可以对指定元素进行结构分析的方法,EXAFS技术在掺杂原子只占很小一部分的DMS体系研究中具有得天独厚的优势。值得一提的是,在模拟EXAFS实验曲线时,我们采用了多相x(k)函数线性叠加模拟的方法来处理高掺杂以及退火处理的样品中可能存在多种Mn原子局域环境配置的情况。而对于只有一种主要局域结构的样品,仍然采用了传统的最小二乘法进行拟合,得到了配位数N、键长R、无序度σ2。等详细的结构参数。对于衬底200℃度条件下生长的不同Mn含量系列样品,EXAFS结果表明在低Mn含量的样品中,Mn原子主要位于ZnO晶格中Zn原子的替代位置。当№含量提高时(目标掺杂20﹪或更高),生成了面心立方结构的Mn0团簇。此外,我们还发现如果把衬底温度设定为150℃,则在目标掺杂20﹪的样品中可以避免形成分离相。由于此样品接近于Mn原子在Zn0中的溶解度极限,所以当在氧氛围中400℃退火1小时后样品中会形成大量Mn2O3团簇。 除了EXAFS之外,我们还对样品进行了系统的VSM磁性测量。在锰含量低于20﹪的样品中,观察到了居里温度为45K的铁磁性。随着Mn含量继续增大,薄膜的磁性从铁磁性转变成为反铁磁性。这与结构从替位形式到Mn0团簇的转变相互一致。此外,退火前样品表现出的铁磁性也会随着退火明显变弱。根据EXAFS的结果,我们有理由认为这是由于退火导致Mn氧化物分离相的产生,从而损害了样品的铁磁性。总之,通过结构与磁性的平行研究,我们揭示了掺杂Mn原子在(Zn,Mn)0体系中的真实状态,建立了磁学性质与局域结构之间合理、可信的内在关联。这些更清晰的结构图像,有助于澄清关于铁磁性来源的争议,并可以让我们更深刻理解(Zn,№)0中各种不一致的磁性报道。
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