氧化锌基稀磁半导体薄膜反常霍尔效应与磁输运性能研究

ZnO基稀磁半导体材料由于其在自旋电子器件方面的潜在应用而备受关注，该领域的研究热点已从制备具有高居里温度的铁磁性材料、探索磁性机理，发展为载流子自旋输运特性研究。反常霍尔效应和磁电阻输运是研究稀磁半导体中载流子特性的重要方法，有助于提高对载流子自旋输运和自旋-轨道作用的认识。目前对ZnO基稀磁半导体薄膜的反常霍尔效应和磁电阻效应研究较少，对其产生机制以及与载流子浓度、磁化强度、温度和界面效应等方面的关系还不清楚。本课题将从磁性和非磁性金属离子掺杂ZnO薄膜材料以及磁性/非磁性薄膜异质结材料制备出发，通过控制制备过程中气氛和有意施主掺杂调节体系的载流子浓度、铁磁性强度、表面/界面等因素，研究低温和室温下的反常霍尔效应和磁输运性能，加深认识ZnO基稀磁半导体中与载流子相关的反常霍尔效应和磁输运的产生机制，发展该体系的载流子自旋输运相关的理论，为自旋电子器件的应用打下基础。

采用电感耦合等离子体增强物理气相沉积（ICP-PVD）法制备了非磁性离子掺杂氧化锌（ZnO）薄膜材料，重点围绕铬（Cr）掺杂ZnO薄膜体系开展了研究，研究了掺杂薄膜的微结构、电磁输运特性和磁性机理。对铜（Cu）掺杂ZnO和铒（Er）掺杂ZnO薄膜也开展初步研究，研究了掺杂薄膜的微结构、电磁输运特性和磁性机理。发展了非磁性离子掺杂ZnO稀磁半导体磁性机理。.对于ICP-PVD制备的Cr掺杂ZnO薄膜，O-K边X射线吸收谱（XAS）结果证实薄膜中不存在Cr2O3、ZnCr2O4及CrO2。磁性测试结果表明Cr掺杂浓度对饱和磁化强度有直接影响。在不同氧分压下制备了Zn0.97Cr0.03O薄膜。磁力显微镜下可以观察到长程铁磁取向形成的条状结构。Cr-L2,3边XAS结果表明，随着氧分压的增大Cr3+逐渐转变为Cr6+。晶格应变和氧空位对磁性作用存在竞争关系。氧空位（VO）是调节Cr掺杂ZnO磁性的主要缺陷。对于（Cr，Ga）双掺杂ZnO薄膜，Cr-L2,3边XAS结果表明，Ga掺杂使Cr离子发生了价态转变，主要以Cr2+形式存在。使用电子顺磁共振未明显观察到锌空位（VZn），锌间隙（Zni）等缺陷相关的信号峰。分析磁性测试数据发现，随着电子浓度的增加，磁性离子之间的铁磁耦合作用逐渐增强，这与束缚磁极子模型的预测一致。因此，Cr掺杂ZnO薄膜体系的铁磁性是藉由以VO为中心的束缚磁极子之间的铁磁性相互作用产生的。