核分析技术研究非磁性离子注入GaN稀磁半导体的微观结构和铁磁机理

目前，GaN基稀磁半导体的铁磁性来源仍是争论的焦点，这是因为作为掺杂剂的磁性过渡金属元素本身是磁性的，它们在基体中的沉淀物对观察到的铁磁性有贡献。稀磁半导体的铁磁机理理论有多种，但均有局限性，用不同理论解释铁磁机理往往发生矛盾，实验和理论也不能统一。基于此，本课题提出用非磁性离子注入GaN制备稀磁半导体研究铁磁机理的新方法，这可以避免团簇、二次相等磁性沉淀物造成的非本征铁磁性，并利用质子激发X射线荧光、卢瑟福背散射、沟道技术、同步辐射X射线吸收精细结构谱、X射线磁圆二色谱、电子顺磁共振、正电子湮没等核分析技术以及霍尔效应，研究非磁性离子的掺杂量和深度分布、替位率、近邻配位情况、价态和电子结构、局域磁矩和未成对电子、晶格缺陷等微观结构以及载流子行为，建立它们与磁性的关系，探讨铁磁性来源，阐明铁磁机理，以期为稀磁半导体的铁磁来源和机理研究开辟一条新路，为研制新型稀磁半导体及其应用提供理论依据。

目前，稀磁半导体的铁磁性来源仍是争论的焦点，为避免团簇、二次相等磁性沉淀物造成的非本征铁磁性，本课题提出用非磁性离子Cu作为掺杂剂来研究稀磁半导体的铁磁机理。本课题的研究结果如下：1）、用射频磁控溅射和离子注入制备了室温铁磁性的Cu掺杂ZnO和GaN稀磁半导体样品。对ZnO：Cu样品，高掺杂和低掺杂样品、变衬底温度样品及变氧氩比样品，均未发现与Cu相关的团簇或二次相等析出物，Cu处于替代位，替位率100%。对GaN：Cu样品，低掺杂时，与ZnO：Cu样品一样，均未发现与Cu相关的团簇或二次相等析出物，Cu处于替代位，替位率100%；高掺杂时，Cu除了替位外，有CuN3二次相析出。室温铁磁性源于Cu的替位效应。2）、用射频磁控溅射制备了室温铁磁性的Mn掺杂ZnO稀磁半导体样品，高掺杂和低掺杂样品以及变衬底温度样品，均未发现与Mn相关的团簇或二次相等析出物，Mn处于替代位，替位率100%。室温铁磁性源于Mn的替位效应。这些结果进一步澄清了稀磁半导体的铁磁来源和机理，为研制新型稀磁半导体及其应用提供了理论依据。