稀磁锗(Ge)介观量子环的光电磁特性研究

应用化学气相沉积方法生长Ge纳米量子环，并在其生长过程中运用Mn、Co等铁磁性原子进行稀磁掺杂。以稀磁Ge介观量子环为研究对象，系统研究量子环尺寸和生长条件等对稀磁掺杂浓度和居里温度的影响，结合晶体掺杂理论，研究稀磁掺杂机理，实现纳米环的高浓度掺杂和高居里温度；进而研究稀磁浓度对纳米环发光、隧穿等光电输运特性的影响。在此基础上，深入研究纳米环在电磁场中的电阻温度、磁阻、反常霍尔效应等稀磁输运特性，获得纳米环中载流子与磁性粒子间的交互作用，探究介观量子环中电子自旋的传导、隧穿和注入等自旋的输运特性。最终获得高居里温度且具有良好电磁输运特性的半导体纳米环，丰富纳米稀磁理论，促进纳米新材料、纳米自旋电子新器件的发展和广泛应用，推动我国稀磁半导体、自旋电子学方面的理论创新、学术发展与实际应用。

本项目在研究中，我们应用量子力学和半导体输运理论从理论上研究了Ge量子环的半径和环宽对环中电子态的影响，发现它们对电子态及其输运都有很强的量子限域效应。利用等离子体化学气相沉积方法，反复试验，制备了单分散、尺寸均匀理想的Ge量子点和量子环，掌握了Ge量子点和量子环的生长工艺和技术路线。然后利用磁控溅射法溅射高纯锰靶对量子点、量子环薄膜进行掺杂，研究了Ge: Mn量子薄膜的退火温度和掺杂浓度等对Ge: Mn量子薄膜电磁效应的影响。发现随Mn的掺杂浓度增大，Ge量子点和量子环薄膜中其饱和磁化强度、剩磁和矫顽力显著增强。当Mn原子的掺杂浓度为1015cm-3时，室温300K 下,Ge量子点、量子环中剩余磁化强度分别为0.14104 和0.25104 emu/g；矫顽力为193 和253 Oe, 磁导率分为0.01106 and 0.04106，平均每个Mn原子的磁矩可到2.3B和4.2B。显然，量子环的相关数据明显大于量子点中的相应数据，说明Ge: Mn量子环比量子点具有更强的磁学效应。重要的是，我们发现锗量子环的剩磁强度及Mn原子的平均磁矩明显高于资料发表的数值。另外，我们还发现退火对样品的磁学特性影响也非常显著，退火后，室温下量子点、量子环样品的饱和磁化强度、剩磁及矫顽力几乎是未退火的2-3倍。最后，我们制备了Ge: Mn量子环制备的磁性器件，研究了稀磁Ge: Mn量子环环中电子自旋的输运特性以及对伏安特性、磁阻特性的影响规律，发现该器件具有显著的巨磁阻效应，其电阻差高达163 K。Ge量子器件中的显著磁学效应是由Mn离子与Mn离子间的间接耦合实现的。通过这些方面的研究，我们明确了量子尺寸、掺杂浓度等对居里温度、饱和磁化强度等的影响规律，得到了具有室温高居里温度的Ge基稀磁量子环。项目研究取得了较好的成绩，在《Thin Solid Films》《Applied Surface Sceience》等有影响力的国内外学术刊物发表相关论文29篇，其中SCI收录14篇, EI收录3篇，核心4篇，SCI源刊已接受待发表3篇；参加国际学术会议6次，国内学术会议2次，发表会议论文2篇；专利2项。获江苏省大学生物理创新大赛一等奖1项，江苏生毕业论文优秀团队荣誉。这些研究成果使Ge基稀磁材料研究中取得了重要进展，促进稀磁新材料和自旋电子新器件的发展.