ⅡA族和Ⅳ族元素掺杂及缺陷诱导AlN稀磁半导体的理论和实验研究

常见的稀磁半导体的工作多集中以含有局域d电子或者f电子磁性物质研究领域，其研究受到低的居里温度和磁性掺杂元素固溶度等问题的困扰。若半导体本身能实现铁磁性，这将是对自旋电子学的一个扩展。本课题以AlN为研究对象，采用溅射、化学气相沉积、分子束外延和前、后期处理技术，进行非磁性ⅡA族和Ⅳ族元素掺杂和缺陷诱导铁磁性的研究，形成AlN基薄膜和纳米结构稀磁半导体的生长方法、研究物相结构和磁性，认识非磁性元素掺杂和缺陷导致的AlN基材料稀磁性的规律。研究中将第一性原理计算和实验调控结合，阐明材料的微观电子结构对样品铁磁性的影响和磁输运性质，为非磁性元素掺杂和缺陷导致的新型稀磁半导体的制备探索具有实验价值的生长方式，为其在自旋光电子器件中的应用奠定基础。

本项目以AlN为研究对象，采用溅射、化学气相沉积、水热法和前、后期处理技术，进行非磁性元素掺杂AlN室温稀磁半导体薄膜和纳米结构的生长方法、结构和磁性的研究；经过系统性的制备和比较Si和Ni掺杂AlN薄膜，研究了物相结构和室温铁磁性的来源，进一步认识Si、Ti和Sn元素掺杂如何形成铁磁序；以非磁性元素Si掺杂获得了高居里点、宽带隙AlN稀磁半导体材料，证实了样品磁性是材料的本征属性，缺陷在引起Si掺杂AlN薄膜的铁磁性上扮演着重要的角色。通过非磁性元素掺杂和缺陷诱导铁磁性AlN和GaN纳米结构的研究，形成氮化物纳米结构稀磁半导体的生长方法；通过微结构、组份、光学、磁学等性质分析，研究物相结构和磁性来源，揭示了掺杂和缺陷导致的AlN基材料稀磁性的规律。通过第一性原理计算和实验调控的相互结合，探讨AlN的微观电子结构中掺杂和缺陷对样品微结构、光学影响和磁学输运性质的影响，发现了缺陷结构对磁性的重要依赖关系，探索具有实验价值的生长方式，为其在氮化物稀磁半导体的应用拓展基础。