Mn掺杂的GeTe相变材料的微观结构和磁性行为研究

发布时间：2017-03-20 01:07

  本文关键词：Mn掺杂的GeTe相变材料的微观结构和磁性行为研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：相变磁性材料(PCMM)如Mn掺杂GeTe薄膜被认为是最具吸引力的硫系化合物材料之一,其具有广泛的应用前景。它能够在非晶态与晶态之间相互转化,并展现出了独特的电、磁特性。这些特性使得这种材料在许多新兴领域有巨大的应用价值,例如多功能自旋电子器件、新型固态数据存储技术以及非易失性逻辑器件等。本文针对基于GeTe的相变磁性材料的制备方法与其特性进行了系统的研究,主要分析了Ge1-xMnxTe这种相变磁性材料的微观结构、光与磁特性以及电特性。本文还提出了一种有效调控Mn掺杂GeTe铁磁性的方法。 首先研究了不同溅射条件下相变磁性材料Ge1-xMnxTe薄膜制备及微观结构。通过XRD测试表明沉积态的薄膜为非晶,而经过退火后薄膜呈现稳定的菱面心立方的多晶态结构。晶体结构分析表明存在第二磁性相,一些特征峰强度随着厚度变薄而减弱,并且薄膜晶化程度随着厚度的增加而增加。我们还分析了薄膜厚度与Ge1-xMnxTe薄膜晶格常数的关系。XRD结果表明,随着薄膜厚度的增加,衍射峰半高宽、晶面间距及晶格应力减小,晶粒尺寸变大。此外,我们利用高分辨隧道电子显微镜HR-TEM观测了Ge0.94Mn0.06Te薄膜的微观结构。HR-TEM图像中显示出两个大的微晶,证实了薄膜处于多晶结构。 通过对比不同厚度下晶态和非晶态Ge1-xMnxTe薄膜的光学特性,我们发现晶态与非晶态薄膜的光学特性有很大差异,并且这种光学特性与薄膜厚度有关。 本文测试了Ge1-xMnxTe薄膜在晶态和非晶态下的磁特性。众所周知低Mn掺杂的Ge1-xMnxTe薄膜具有本征的铁磁性,我们基于这一事实通过测试薄膜晶态和非晶态下的磁滞回线研究了铁磁交换作用的变化。结果表明晶态和非晶态下Ge1-xMnxTe都表现出M-H磁滞特性,而非晶态薄膜的饱和磁化强度比晶态减少了37.7%。因此,这种典型的磁滞回线以及大的矫顽力表明了Mn掺杂的GeTe薄膜中磁性离子间具有铁磁交换作用,并且非晶态与晶态间具有显著的差异。我们还对比了晶态Ge0.96Mn0.04Te薄膜零场冷和场冷两种条件下的温度T与磁化强度M关系。在100Oe和300Oe两个磁场条件下测试所得的零场冷和场冷T-M曲线都出现了明显的分叉,而在5000Oe磁场下两曲线重合。低磁场下零场冷和场冷M-T曲线的分叉展现出了其超顺磁特性,说明薄膜内部存在铁磁性团簇。此外,不同厚度Ge1-xMnxTe薄膜的M-T分析测试表明在低温下薄膜最厚的样品具有最大的磁化强度,而当薄膜厚度减小或温度升高时磁化强度显著降低。这种现象主要是因为外场下低温区Mn掺杂的GeTe薄膜的磁矩排列呈现铁磁性,而高温区呈现顺磁性。进一步的数据分析结果表明厚度为60、120和200nm的Mn掺杂GeTe薄膜的居里温度为48、97和110K。居里温度随着薄膜厚度的增加而增加,在薄膜厚度为200nm时达到了110K。 论文研究了Ge0.89Mn0.11Te薄膜电特性的厚度依赖关系。测试结果表明所有薄膜的载流子浓度都大于1×1021cm-3电阻随着薄膜厚度的减小而减小,说明了载流子的迁移率增加。测试了不同温度下Ge0.89Mn0.11Te薄膜的霍尔电阻与磁场的关系。随着温度的增加反常hall效应降低,表明了存在着本征载流子诱发的铁磁性。 综上所述,我们针对相变磁性材料Ge1-xMnxTe进行的了磁性及电特性研究,为其在下一代电、磁特性结合的多功能微纳器件中的应用及发展奠定了基础。
【关键词】：相变磁性材料 非晶态 晶态 铁磁性调控 薄膜厚度
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM27
【目录】：

• ABSTRACT4-7
• 摘要7-11
• 1 Introduction and background11-18
• 1.1 Background11-13
• 1.2 Motivations13-14
• 1.3 Objectives14-15
• 1.4 Methodology15-16
• 1.5 Thesis arrangements16-18
• 2 Research progress in phase change magnetic materials18-32
• 2.1 Introduction18
• 2.2 Phase change materials (PCM)18-21
• 2.3 Diluted magnetic semiconductors21-23
• 2.4 Phase change magnetic materials23-24
• 2.5 Transition metal (TM) doped GeTe based PCM24-32
• 3 Methods of deposition and characterization for phase change magneticmaterials32-43
• 3.1 Introduction32-33
• 3.2 Deposition for Mn doped GeTe thin films33-35
• 3.3 Characterization techniques for Mn doped GeTe thin films35-43
• 4 Deposition and Compositions of Ge_(1-x)Mn_xTe thin films43-54
• 4.1 Introduction43-44
• 4.2 Substrates cleaning44
• 4.3 Deposition parameters and compositions of Ge_(1-x)Mn_xTe thin film44-53
• 4.4 Chapter summary53-54
• 5 Microstructure and optical properties of Ge_(1-x)Mn_xTe thin films54-81
• 5.1 Introduction54
• 5.2 Microstructural properties of Ge_(1-x)Mn_xTe thin films54-73
• 5.3 Optical properties of Ge_(1-x)Mn_xTe thin films73-79
• 5.4 Summary79-81
• 6 Magnetic and electrical properties of Ge_(1-x)Mn_xTe thin films81-102
• 6.1 Introduction81-82
• 6.2 Magnetic properties of Ge_(1-x)Mn_xTe thin films82-93
• 6.3 Electrical properties of Ge_(1-x)Mn_xTe thin films93-101
• 6.4 Summary101-102
• 7 Conclusions and future work102-106
• 7.1 Conclusions102-105
• 7.2 Future work105-106
• Acknowledgements106-107
• References107-119
• Publications119

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