非磁性元素掺杂半导体材料中自旋极化的实验与第一性原理研究

发布时间：2017-12-29 17:09

  本文关键词：非磁性元素掺杂半导体材料中自旋极化的实验与第一性原理研究　出处：《天津大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： sp磁性 自旋极化 掺杂 受主缺陷 第一性原理 电子结构

【摘要】：为促进自旋电子器件的发展,寻找新的高自旋极化材料,实现极化电流从磁性材料到半导体材料的高效注入成为研究热点。近年来,人们发现在不含有过渡金属或稀土金属元素的体系中同样可以存在铁磁极化,其磁性的主要来源为半导体中的点缺陷,也就是s电子或p电子。而在宽带隙半导体中,s轨道往往对应施主价电子,p轨道则对应受主空穴。因此,研究半导体本征缺陷对磁性的调控机制,不仅可以加深对sp型半导体材料中自旋耦合作用的理解,而且对新型自旋注入器件的研究也具有一定的指导意义。在施主缺陷的研究中,本文通过直流反应溅射制备多晶SnN_x薄膜,其具有六方相富Sn结构且在500°C以上发生热分解,复合缺陷导致薄膜带隙达3.10 eV并具有金属导电性,其随基底温度的升高与铁磁性的变化趋势相反。磁性的主要来源为晶粒边界或界面处不均匀分布的点缺陷引入的未配对电子。通过射频溅射制备多晶Ce_(1-x)Sn_x O_2薄膜,研究等价元素掺杂对电子结构和磁性的影响,发现Sn掺杂利于体系磁性的增强,但浓度高于6%后无影响。实验分析表明磁性主要与结构畸变、Ce3+和氧空位的浓度有关。通过Ce-O-Ce形成的超交换机制以及F-center的形成有助于局域磁矩之间的长程铁磁耦合。对受主缺陷的极化研究,通过掺杂低价阳离子或高价阴离子向本征n型材料中引入受主空穴。在外延Sn_(1-x)MgxO_2与Sn_(1-x)K_xO_2薄膜中,磁矩的极化排列主要通过掺杂元素的p轨道与母体p轨道之间的p-p耦合实现。由于受溶解度的限制,间隙位的出现作为施主会与体系中替位缺陷所引入的空穴复合,使磁性减小。空气中的高温热处理可以使掺杂元素发生间隙位到替代位的转变,而掺杂元素较大的离子半径所造成的晶格畸变,同样对磁性具有重要影响。阴离子的掺杂是通过热氧化SnN_x实现的,所有的薄膜都具有p型导电特征,最高的载流子浓度约为2.08′1019 cm-3,说明该方法可以有效的抑制自补偿效应对空穴的消耗。与此同时,N的阴离子替位缺陷也可以增强体系的铁磁性,且存在铁磁与反铁磁的竞争,使饱和磁矩呈现非单调变化的趋势。在本征p型半导体的极化研究中,我们对2p轨道元素掺杂CuCl的电子结构和磁性进行理论计算。通过PBE+U研究2p轨道与3d轨道的强关联作用的影响。通过对比我们发现强关联作用不仅可以对带隙进行修正,同时会影响磁性基态及局域磁矩的分布情况。不同掺杂剂所导致杂质带的移动主要与电负性之间的差异有关。掺杂原子的2p轨道和近邻Cu原子满壳层的3d轨道之间的杂化作用是杂质带劈裂和磁性极化的主要因素。为实现缺陷的规则分布,我们通过构造超晶格对纤锌矿氮化物和盐岩矿硫化物两种sp型半金属材料进行研究。发现在超晶格结构中,均可维持其半金属性且具有整数磁矩。磁性主要来源于阴离子的贡献,氮化物中的p-d耦合和硫化物中的p-p耦合为主要的交换机制,不同分子层上阴离子的极化方向不同,分别平行或垂直于超晶格的的z轴方向。此外,对于不同畸变的讨论预言了sp型半金属超晶格在实际应用中的可行性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469

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本文编号：1351081