铁磁半导体Mn1-xCrxTe的优化生长及特性研究

采用脉冲激光沉积（PLD）和分子束外延(MBE)的制备方法，以实现高质量的Mn1-xCrxTe薄膜生长为基础，研究生长条件对Mn1-xCrxTe薄膜的形成、晶体质量、电学和磁学性能及稳定性的影响规律；研究Mn1-xCrxTe薄膜生长条件对载流子浓度的影响，以确定载流子浓度的来源(本征或施主受主类缺陷)；研究Mn1-xCrxTe薄膜的晶体结构、禁带宽度、价带和导带能级位置偏移以及电学和磁学性能随Cr元素的含量及膜层厚度的变化规律；研究Mn1-xCrxTe中载流子的自旋信息，以直接判断该材料中的载流子是否是自旋极化的。在这些关键物理问题研究基础上，阐明其组分、结构、厚度、缺陷密度等对电性和磁性的影响及其物理机制，探讨Mn1-xCrxTe铁磁性的来源。从实验上进一步证实Mn1-xCrxTe的铁磁半导体特性，为自旋器件的实用提供材料和实验支持。

采用脉冲激光沉积（PLD）方法在单晶硅基片和单晶的Al2O3基片上生长Mn1-xCrxTe薄膜，并系统地研究Mn1-xCrxTe薄膜的结构和表面特性、磁学性质和电学性质。在本项目中，我们以反铁磁半导体MnTe为基，采用Cr元素进行掺杂。由于MnTe（反铁磁性）和CrTe（铁磁性）具有相同的晶体结构和相近的晶格常数，我们将铁磁性的金属导体CrTe和反铁磁的半导体MnTe掺杂在一起，通过元素替代使得在磁性上出现了反铁磁性－铁磁性（亚铁磁性）的变化，同时在电性上又保持原有基体的半导体导电特征, 从而合成了一种新的Mn1-xCrxTe铁磁半导体材料。在探索铁磁性来源方面，我们用 Cr 原子（其外围电子分布为3d54s1）替代Mn1-xCrxTe体系中的 Mn 原子（其外围电子分布为3d54s2），在引入了局域自旋的同时还提供了空穴，使得这些自旋以空穴为媒介产生铁磁交互作用，从而获得铁磁特性。具体的研究成果如下：.（1）在MnTe中，Cr对Mn的替代在一定浓度内可形成固溶的Mn1-xCrxTe化合物。随Cr含量的增加，晶格参数a和c逐渐减小，且符合Vegard定律。当基片为Al2O3单晶，基片温度为500度，激光能量550mJ，激光溅射频率为2Hz，溅射30分钟，可以得到很好的外延生长的Mn1-xCrxTe薄膜，生长方向为（001）。.（2）由于Cr的掺杂，Mn1-xCrxTe(x = 0.01, 0.02 和 0.05)薄膜出现了铁磁性，其5 K温度下的矫顽力分别为300 Oe、310 Oe和985 Oe；Mn0.95Cr0.05Te薄膜在室温下仍表现为弱铁磁性。.（3）在我们所研究的Mn1-xCrxTe体系中，当Cr 原子（其外围电子分布为3d54s1）替代 Mn 原子（其外围电子分布为3d54s2）时，空穴被引入到体系当中。所以在Mn1-xCrxTe体系中，产生铁磁性的一种可能的机制就是以空穴为媒介的自旋间的相互作用。.（4）Mn1-xCrxTe(x = 0.01, 0.02 和 0.05)薄膜在电性上仍保持了半导体的导电性质，且表现为热激活的半导体导电行为。