利用软X射线磁二色技术研究室温稀磁半导体GaMnN铁磁性形成机理

In the project, a combination of theoretical and experimental study of the room temperature ferromagnetism origin has been done on GaMnN films and the low-dimensional structure material grown by MOCVD. Because of the ability of elements distinguish and high-resolution, magnetic dichroism technology of synchrotron radiation has been used to investigate the magnetism of different elements, the magnetic coupling between the elements、the distribution of Mn-doped atoms in low-dimensional materials and the change of its nature. By using the complementation investigation between low-dimensional nano-scale and thin film materials of GaMnN, we fully explore the properties and the magnetic origin of the materials. Based on density functional theory, LAPW+lo has been used to establish GaN, GaMnN superlattice structure and the low-dimensional structural model, analyze the change of spin magnetic moment of different elements and Mn chemical confaiguration. Comprehensive experimental and theoretical results, we deeply explore and propose effective analysis. Accordingly, we will provide a more convincing theoretical model to explain the origin of ferromagnetism of GaMnN. This project not only promote the GaMnN application and development but also establish the basis for the device's low dimension.

项目采用实验研究结合理论分析的方法研究GaMnN材料室温铁磁性起源。因同步辐射磁二色技术具有元素分辨能力、高分辨率等特性，能得到许多传统磁学测量方法所无法获得的信息。实验工作利用该技术研究MOCVD技术制备的GaMnN 薄膜和低维结构材料中不同元素的磁性、元素间磁耦合性等；Mn掺杂原子在低维材料中的分布及性质变化，探索维度及尺寸效应对材料有序度、磁性及其他性质的影响。低维纳米尺度GaMnN材料与薄膜材料研究相互补充，以充分探索材料的特性和磁性起源机理。理论工作采用密度泛函理论完全势（线性）缀加平面波+局域轨道方法，建立GaN、GaMnN超晶格结构和低维结构模型，分析GaMnN体系各元素自旋磁矩的变化和Mn化学组态的变化情况。综合实验与理论结果深入探讨并提出有效的理论分析，探索更具有说服力的理论模型解释材料的铁磁性起源。本项目的研究为推动GaMnN的应用和发展以及器件的低维化提供研究基础

项目采用实验研究结合理论分析的方法探索GaMnN材料室温铁磁性起源。采用MOCVD技术进行GaMnN薄膜、GaMnN/GaN多层结构、GaN纳米前体GaMnN薄膜、GaMnN纳米柱生长研究。采用同步辐射技术、高分辨X双晶衍射仪、超导量子干涉仪、光致发光谱以及拉曼光谱对GaMnN材料进行实验研究；采用密度泛函理论建立GaMnN系列超晶胞结构模型进行理论计算研究。分析实验结果，排除体系中存在二次相或杂项；随Mn掺杂浓度的增加，GaMnN薄膜的室温铁磁性增幅减小，且体系中引入了VN，GaMnN中Mn3+与Mn2+共存，Mn3+浓度比率随Mn掺杂浓度增加而降低；理论计算表明，VN与Mn离子间存在电子转移，体系中Mn离子为2+价态，Mn3+转变为Mn2+，且GaMnN中存在VN会降低体系铁磁性。结合实验与理论结果分析表明，体系中Mn3+浓度比与GaMnN铁磁性有关。与传统单层GaMnN材料相比，经热退火处理后，GaMnN/GaN多层结构表现出较大的矫顽力和较好的磁性热稳定性。另多层结构 GaMnN表现的铁磁性与结构的相关性表明，由于退火而引入的缺陷或载流子输运会对 Mn 离子的电子结构和材料的铁磁性有重要影响。与传统GaMnN薄膜相比，以Ga-polar纳米柱阵列为前体的GaMnN薄膜的室温铁磁性显著增加。项目的研究成果加深了对GaMnN材料铁磁性起源的认识；同时对将GaMnN 材料集成于GaN 基器件的工艺过程具有重要指导意义；认识到采用纳米前体成为可增强稀磁半导体铁磁性的新方法，同时该方法亦提供了将纳米应用于宏观世界的新思路。