高居里温度SiC稀磁半导体薄膜的制备、结构与磁性研究

稀磁半导体（DMS）兼有电荷和自旋两种特性, 在光、电、磁功能集成等新型器件方面具有重要的应用，成为自旋电子学这个新领域的研究热点之一。本项目采用磁控溅射和脉冲激光沉积技术，制备3d过渡金属元素TM（TM=Mn、Co、Cr等）掺杂或共同掺杂的SiC基DMS薄膜，探索此类薄膜系统的新现象新规律，实现薄膜居里温度高于室温的可控生长。利用XRD、XPS、TEM、SQUID、PPMS、XMCD、XAFS等技术来表征和分析薄膜的微结构与磁、输运等性能之间的关系，明确TM掺杂离子在SiC薄膜中的局域原子结构、电子自旋状态以及与其周围局域载流子（电子或空穴）之间的自旋磁矩相互作用,揭示此类薄膜中的磁性起源和与自旋相关的输运特性。本项目不仅能够制备得到性能良好的SiC基DMS材料，也能在探索DMS中自旋相关的输运性质的物理机制方面做出创新性成果，为新型器件的设计和制备打下基础。

通过XRD、XPS、XANES、EXAFS、PPMS和SQUID等表征测试手段系统地研究了Mn、Fe、Cr以及Cr、Mn共掺杂SiC基稀磁半导体薄膜的局域结构及自旋相关磁、输运性能。结果发现：（1）制备态和800℃退火Mn掺杂SiC薄膜中，Mn原子占据3C-SiC晶格中的C位，薄膜具有低的载流子浓度(约1019cm-3)和半导体输运行为，输运机制为Mott变程跃迁，显示载流子具有强的局域特性。1200℃退火后，大多数Mn原子形成了Mn4Si7第二相，薄膜具有金属-半导体转变的输运行为。Mn掺杂SiC薄膜的室温铁磁性随退火温度的升高而增加。BMP理论模型适合解释制备态和800℃退火薄膜的铁磁性来源，而1200℃退火薄膜的铁磁性来源可考虑为少量C掺入Mn4Si7第二相引起的。（2）对于制备态和800℃退火Fe掺杂SiC薄膜，Fe原子占据3C-SiC的4d间隙位，薄膜表现为半导体输运行为，随Fe掺杂浓度的增加，输运机制由Mott跃迁转变为Efros跃迁机制，即lnρ分别与(T)-1/4和(T)-1/2保持线性关系。1200℃退火薄膜中，Fe原子以Fe5Si3第二相存在，输运行为主要为金属导电特性，只在极低温度出现半导体导电特性。对于制备态和800℃退火薄膜，间隙Fe作为施主可提供额外电子，束缚磁极子之间的交换耦合作用使得薄膜产生宏观铁磁性。1200℃退火薄膜，铁磁性来源于Fe5Si3第二相。（3）对于制备态和退火态Cr掺杂SiC薄膜，Cr原子占据SiC晶格中的C位和Si位，还有一部分形成Cr团簇。随Cr掺杂浓度的增加，薄膜的电阻率减小而载流子浓度先减小后增加，5at%Cr掺杂SiC薄膜的导电机制符合Efros变程跃迁模型。对于不同退火温度的Cr、Mn共掺杂SiC薄膜，Cr、Mn原子均以单质态以及C替位或Si替位态同时存在。随Mn掺杂浓度的增加，Cr、Mn共掺杂SiC薄膜的载流子浓度增大，电阻率减小，饱和磁化强度则先增大后减小。Cr、Mn的共掺杂使薄膜铁磁性较单Cr掺杂SiC薄膜明显增强，显示了Cr、Mn共掺杂能有效提高磁性能。不同退火温度的Cr、Mn共掺杂SiC薄膜的铁磁性均来Cr、Mn替位Si或C原子，磁性大小受束缚磁极子调节。