双元素复合掺杂SiC基稀磁半导体的制备与物性研究

宽带隙半导体SiC具有高热导、高击穿场强、高饱和电子迁移率和抗辐射等一系列优异的物理、化学性质，是制作高温、高频、大功率、抗辐射自旋电子器件的理想材料。针对SiC基稀磁半导体在掺杂过程中容易出现的多型化问题，本项目以SiC基稀磁半导体为研究对象，首次提出开展双元素(具有稳定SiC晶型作用的Al元素与另外一种元素)可控复合掺杂SiC单相样品的制备和物性测试等工作。项目拟采用固相反应法制备样品, 利用SQUID等磁性测试技术, 结合x射线衍射、电镜分析和化学成分分析等表征手段,系统地研究双元素复合掺杂SiC的磁性特征，探索可能的双元素掺杂SiC不同于其它体系的新现象、新规律。分析双元素掺杂SiC的磁性作用机制，研究双元素之间的相互作用规律。揭示微观结构与物理性能之间的关系，建立可能存在的双元素掺杂SiC磁性来源的新机制,对拓展SiC基自旋器件的应用具有重要意义。

本项目系统地开展了双元素复合掺杂SiC基稀磁半导体的制备与物性表征工作，其中包括磁性元素Fe, Co, Cr, Mn以及非磁性元素B等与Al元素复合掺杂的研究工作，非磁性掺杂宽禁带半导体的制备与物性表征工作，非磁性元素掺杂窄禁带半导体的制备与物性表征工作。研究发现：1)Al元素在复合掺杂的过程中，与单掺杂所表现出来的作用存在差异，在复合掺杂过程中，Al元素对于样品的长程磁有序没有明显贡献，而表现出来的主要作用是稳定SiC的晶型，2)(Al, Fe)复合掺杂的样品中，Al元素的引入后没有探测到常见的杂相Fe3Si, 同时4H与6H两相共存的现象也消失了，表现出4H单相。3) (Al, Co)复合掺杂的样品中，同样表现出4H单相，并且(Al, Co)复合掺杂后的磁性要弱于Al元素单掺的样品，这对于研究Al元素掺杂SiC基稀磁半导体的磁性起源提供了新的认识。4) (Al, Cr)复合掺杂的SiC样品中，我们发现Al元素对于铁磁性的贡献不明显，随着Cr元素含量的增加，样品的铁磁性在逐渐减弱。5)在宽禁带半导体BN中，我们发现了由样品自身的缺陷所导致的宏观磁有序，证实了张培鸿等人的计算结果。6)在中子辐照的6H-SiC单晶样品中，我们观察到VSiVC双空位所诱导产生的铁磁有序，显示出通过缺陷工程来调控宽禁带半导体是可行的。7)在窄禁带半导体InN中发现随着缺陷浓度的变化，InN中磁有序可以进行有效的调控。通过本项目的资助，课题组在三年研究期内对SiC基稀磁半导体的制备与物性研究以及宽禁带半导体的磁性起源进行了深入和系统的研究，取得了重要的研究进展，在P.R.L., P.R.B., A.P.L.等SCI杂志上发表论文9篇，培养博士研究生4名，硕士研究生2名，获省自然科学一等奖一项。