氧化物鐵磁性半導體電子輸運特性的研究.pdf

1、自旋電子學是一門以研究自旋相關的現象和器件為主的新興學科。自旋注入、自旋輸運以及通過電學或者光學方法實現自旋的檢測與控制是自旋電子學研究至關重要的內容。目前，自旋注入半導體遇到的主要的困難是鐵磁金屬與半導體電阻不匹配導致低自旋注入效率，由此引發了研究者對磁性半導體注入源濃厚的興趣。但是目前為止高居里溫度、高自旋極化率的磁性半導體材料還亟待開發。自旋相關的輸運，例如磁電阻、反?；魻栃?，一方面研究的相對還比較少，另一方面不同研究組的報道

2、結果各不相同，甚至截然相反?；谝陨显?，我們將集中精力研究我們組最近新發現的具有高居里溫度和高過渡族元素含量的鐵磁半導體材料的電子輸運現象，希望能對自旋相關的輸運有更深刻地認識，能對自旋的調控和自旋電子器件的設計給出有價值的建議。我們的研究主要集中在以下幾個方面：一、庫侖相互作用、交換作用和硬帶能共同作用下寬禁帶氧化物鐵磁性半導體中變程躍遷導電的共性與個性；二、單晶外延稀磁氧化物鐵磁半導體的電子輸運和正磁電阻行為；三、氧化物鐵磁半導體

3、納米顆粒中正磁電阻的起源；四、輸運特性可用磁場調控的Ge1-xMnx/Ge磁性半導體二極管。下面是我們所取得的主要進展：
　　 1.基于Zn1-xCoxO1-v和Ti1-xCoxO2-v的實驗結果，我們首次提出了自旋依賴的變程躍遷模型，在統一的框架下同時考慮了電子電荷間的庫侖相互作用和電子自旋間的交換相互作用對輸運的影響。一方面成功的解釋了實驗上發現的低溫電阻lnp與溫度T1/2之間的線性關系在不同磁場下具有不同斜率和截距的現象

4、；另一方面通過理論模型對實驗結果的擬合得到了自旋極化率以及交換作用和庫侖作用相對強弱的相關信息。
　　 2.基于對Zn1-xFexO1-v鐵磁半導體電子輸運特性的系統研究，我們發現其低溫導電機理隨著Fe元素含量的增加從Efros變程躍遷轉變為硬帶躍遷?？紤]到決定躍遷幾率的勢壘能量具有可加性，我們通過引入硬帶能對輸運的貢獻進一步完善了我們的自旋依賴的變程躍遷理論模型。通過分析輸運行為對磁場的依賴關系，我們認為樣品中硬帶能的起源是非

5、磁的多電子弛豫效應。
　　 3.在(In1-xFex)2O3-v鐵磁半導體中發現了庫侖屏蔽效應。(In1-xFex)2O3-v樣品表現出了不同于Zn1-xCoxO1-v、Ti1-xCoxO2-vZn1-xFexO1-v等鐵磁半導體的輸運特性：低溫下表現出了無相互作用的Mott變程躍遷(1nρ正比于溫度T-1/4)。實驗上發現其電阻率與某些導電不是很好的金屬材料在同一個量級，比前面提到的鐵磁半導體小2到3個量級。這是因為In2O3

6、很容易實現n型摻雜，所以(In1-xFex)2O3-v中有很高的載流子濃度。高的載流子濃度導致小的庫侖屏蔽半徑。當低溫下躍遷距離大于屏蔽半徑時，載流子之間的庫侖相互作用可以被忽略，從而體現無相互作用的Mott變程躍遷導電。
　　 4.我們首次提出在Al2O3的禁帶中通過摻雜引入雜質能級，將其轉變為鐵磁半導體材料。實驗上用磁控濺射儀成功制備了(Al1-xCox)2O3-v鐵磁半導體，發現在低溫下其導電機理存在從Efros變程躍遷到

7、硬帶躍遷的轉變。我們系統的研究了(Al1-xCox)2O3-v鐵磁半導體和相應的Co-Al2O3顆粒膜的電子輸運和磁電阻行為的異同。
　　 5.通過一步步的研究我們發現高過渡族元素含量的氧化物鐵磁半導體中的各種相互作用和電子輸運之間存在一個普遍的規律：不管是何種寬禁帶氧化物基體，也不管是何種過渡族元素摻雜，只要樣品電阻率非常低時，導電機理便是Mott變程躍遷；樣品電阻率在中間范圍時，導電機理為Efros變程躍遷；樣品電阻率非常高

8、時，導電機理為硬帶躍遷。這表明氧化物鐵磁半導體中的電子輸運特性主要由氧空位載流子的濃度決定，這為我們調控磁性半導體的輸運特性指明了方向?？紤]到庫侖屏蔽長度、載流子局域長度以及躍遷距離的相對大小，硬帶能、庫侖能、交換能以及關聯能對電子輸運的貢獻也相應的發生變化，在自旋依賴的變程躍遷模型框架下可以非常好的理解所有的實驗結果。
　　 6.通過研究磁電阻對磁場和溫度的依賴關系，我們發現分子束外延生長的Co-ZnO單晶樣品中的正磁電阻來源

9、于載流子波函數的收縮效應。實驗上并沒有發現自旋相關的輸運現象，這可能是因為我們樣品中低溫硬帶躍遷區躍遷距離比較大，直接的磁相互作用可以被忽略，其它的磁相互作用如塞曼劈裂、靜磁能等比電的相互作用如庫侖能、硬帶能等小很多，從而宏觀上并沒有體現出自旋相關的輸運現象。
　　 7.我們報道并系統研究了Co摻雜的ZnO納米顆粒體系中高達800％的正磁電阻行為。該低溫磁電阻在低場下隨磁場線性變化，高場下很快趨于飽和。研究表明該正磁電阻源自強磁

10、場下塞曼劈裂效應引起的自旋相關的躍遷路徑的阻塞。另一方面，我們研究了用同樣方法制備的Co摻Cu2O納米顆粒體系中的磁性和輸運特性。我們發現在相同Co元素摻雜含量的情況下，Co摻Cu2O中的磁電阻值僅為Co摻ZnO中磁電阻的1％。我們認為這肯能是由于Co摻Cu2O中的p-d交換作用比較弱故而不能導致強的塞曼劈裂效應的結果。
　　 8.我們報道了由p型Ge1-xMnx磁性半導體和本征Ge(或者微量摻雜的n型Ge)形成的新型單晶Ge1