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1、LOGOMnMn掺杂的掺杂的GeGe量子环的电磁特性研究量子环的电磁特性研究论文的结构和主要内容论文的结构和主要内容u第一第一部分：绪论部分：绪论u第二第二部分：样品制备技术与表征方法部分：样品制备技术与表征方法u第三第三部分：磁控溅射法制备部分：磁控溅射法制备Ge1-XMnX及其特性研究及其特性研究u第四部分第四部分：结论：结论一、稀磁半导体简介一、稀磁半导体简介u稀磁半导体稀磁半导体(DMS)是在半导体中掺杂低浓度的过渡金是在半导体中掺杂低浓度的过渡金属离子而生成的磁性材料。属离子而生成的磁性材料。 u它能利用电子的电荷特性和自旋特性，即兼具半导体材它能利用电子的电荷特性和自旋特性，即兼具

2、半导体材料和磁性材料的双重性，也就是说它将半导体材料的信料和磁性材料的双重性，也就是说它将半导体材料的信息处理与磁性材料的信息存储功能融合在一起。息处理与磁性材料的信息存储功能融合在一起。u这类材料制成器件尺寸更小、运算速度更快、功耗更低这类材料制成器件尺寸更小、运算速度更快、功耗更低、且存在非易失性，在半导体集成电路、磁感应器和自、且存在非易失性，在半导体集成电路、磁感应器和自旋量子计算机等领域蕴涵着巨大的潜在应用前景。旋量子计算机等领域蕴涵着巨大的潜在应用前景。 n背景：背景： 20世纪世纪60年代，人们首次发现铁磁性与半导体性质可以共年代，人们首次发现铁磁性与半导体性质可以共存。存。21

3、世纪初，世纪初，Park等人发现了等人发现了Mn掺杂掺杂Ge基稀磁半导体材基稀磁半导体材料的铁磁性之后，料的铁磁性之后，族基稀磁半导体材料吸了引人们的注族基稀磁半导体材料吸了引人们的注意力。随后，赵玉军等人使用全电子密度泛函意力。随后，赵玉军等人使用全电子密度泛函(FLAPW)从从理论上得到高达理论上得到高达400K的居里温度，的居里温度，Gel-xMnx稀磁半导体便稀磁半导体便成为研究热点。成为研究热点。 综合分析目前已有的研究成果发现，对于综合分析目前已有的研究成果发现，对于Gel-xMnx稀磁半导稀磁半导体的研究大都以体的研究大都以Ge纳米线为掺杂对象，而对纳米线为掺杂对象，而对Ge量子

4、环的掺量子环的掺杂研究较少。因此，我们选择杂研究较少。因此，我们选择“Mn掺杂掺杂Ge量量子环的电磁特子环的电磁特性研究性研究”作为研究课题。作为研究课题。二、研究背景及意义二、研究背景及意义二、研究背景及意义二、研究背景及意义u锗锗Ge，位于元素周期表中第，位于元素周期表中第4周期第周期第A族的元素，族的元素，是常见的半导体材料之一，单晶是常见的半导体材料之一，单晶Ge具有金刚石结构。由具有金刚石结构。由于具有比于具有比Si材料高的电子和空穴迁移率，较小的玻尔半材料高的电子和空穴迁移率，较小的玻尔半径及禁带宽度，同时能与径及禁带宽度，同时能与Si基半导体工业匹配，其低维基半导体工业匹配，其低

5、维结构具有显著的量子尺寸效应和量子隧穿效应。结构具有显著的量子尺寸效应和量子隧穿效应。 这些效应可用于制备工作电流阈值低、高速、低功耗的这些效应可用于制备工作电流阈值低、高速、低功耗的光电子器件。所以光电子器件。所以Ge基稀磁半导体不但居里温度较高、基稀磁半导体不但居里温度较高、电子传输性能良好，而且还能与目前广泛应用的电子传输性能良好，而且还能与目前广泛应用的Si基半基半导体工艺相兼容。导体工艺相兼容。二、研究背景及意义二、研究背景及意义n意义：意义： 研究研究Ge基稀磁半导体不仅丰富磁学和半导体物理理论基稀磁半导体不仅丰富磁学和半导体物理理论体系，促进固体物理学的发展。同时，由于稀磁半导体

6、系，促进固体物理学的发展。同时，由于稀磁半导体具有巨体具有巨g因子效应、磁光电效应等新的物理效应，并因子效应、磁光电效应等新的物理效应，并且有优良的结晶学、电学和光学性质。利用且有优良的结晶学、电学和光学性质。利用Ge基稀磁基稀磁半导体制成的器件具有速度快、体积小、耗能低、非半导体制成的器件具有速度快、体积小、耗能低、非易失性、多载流子等优点。相信在不久的将来易失性、多载流子等优点。相信在不久的将来，Ge基基稀磁半导体器件一定能取代现有的半导体器件而成为稀磁半导体器件一定能取代现有的半导体器件而成为信息处理的主角。信息处理的主角。三、制备及研究方法三、制备及研究方法n-Si(100)n-Si(

7、100)Ge层n-Si(100)Mn/Ge复合层(a)Ge层制备方法如右图所示：制备方法如右图所示：n将将n-Si衬底清洗干净并用衬底清洗干净并用N2吹干备吹干备用用n先利用先利用PECVD法在法在n-Si衬底上沉积衬底上沉积单分散单分散Ge量子环薄膜。量子环薄膜。n然后在生长好的然后在生长好的Ge量子环薄膜上用量子环薄膜上用磁控溅射法掺杂磁控溅射法掺杂Mn原子制备稀磁原子制备稀磁 Gel-xMnx薄膜薄膜。n最后将样品在最后将样品在700温度下温度下Ar环境环境中进行退火处理。中进行退火处理。图图 (1) 样样品制品制备备流程流程三、制备及研究方法三、制备及研究方法表征方法：表征方法：u通过

8、扫描电子显微镜（通过扫描电子显微镜（SEM）观察了其表面形貌变化；）观察了其表面形貌变化；u拉曼测试仪，拉曼测试仪，X射线能谱图（射线能谱图（EMAX）等表征手段测试了）等表征手段测试了样品的微观结构；样品的微观结构；u根据霍尔效应观察掺杂浓度、根据霍尔效应观察掺杂浓度、I-V特征曲线和磁阻特性；特征曲线和磁阻特性；u利用超导量子干涉仪（利用超导量子干涉仪（SQUID）测量样品的磁性。）测量样品的磁性。四、结果与讨论四、结果与讨论(a)(b)放放大大的的图图右图右图(a)为退火样品的表面为退火样品的表面SEM图，图，可以看出所制备的可以看出所制备的Ge:Mn磁性量子环磁性量子环均匀地低分散在硅

9、片上，呈漂亮的、均匀地低分散在硅片上，呈漂亮的、高度对称的环形形状，且各环之间分高度对称的环形形状，且各环之间分布均匀，互相独立。从放大图片布均匀，互相独立。从放大图片(b)可可以看出量子环的直径约为以看出量子环的直径约为6um。除量子环以外其它的区域，界面变得除量子环以外其它的区域，界面变得非常平整，说明扩散退火极好的改变非常平整，说明扩散退火极好的改变了薄膜的晶体结构与表面形貌。了薄膜的晶体结构与表面形貌。图图(2) 在在Si衬底上衬底上Mn掺杂掺杂Ge量子量子环的扫描电子显微镜下的照片环的扫描电子显微镜下的照片 四、结果与讨论四、结果与讨论图图(3) 退火样品的退火样品的X射线能谱图射线

10、能谱图右图为退火样品的右图为退火样品的EMAX能谱图，能谱图中显示，能谱图，能谱图中显示，样品含有样品含有Si，Ge，Mn三三种物质峰值浓度分别为种物质峰值浓度分别为48%，37.6%和和6.4%。这。这表明表明Mn原子有效地掺杂进原子有效地掺杂进Ge量子环，达到峰值浓度量子环，达到峰值浓度6.4%。由能量谱得到理想。由能量谱得到理想配比配比 为为Ge0.48Si0.38 Mn0.06 。四、结果与讨论四、结果与讨论100200300400500050010001500200025003000AnnealledAs grown279298 Intensity (a.u.)Wave number

11、 (cm-1)图图(4) Mn掺杂掺杂Ge量子环退火与量子环退火与未退火的拉曼光谱未退火的拉曼光谱实验证明，随着衬底温度的升高，峰位向实验证明，随着衬底温度的升高，峰位向300cm-1处移动，该处移动，该拉曼特征峰会越强，结晶性变得越好。在拉曼谱中没有发现拉曼特征峰会越强，结晶性变得越好。在拉曼谱中没有发现Ge-Mn峰或者峰或者Mn-Mn特征峰。特征峰。由图由图(4)可以看到，在未退火可以看到，在未退火条件下样品的拉曼特征峰非条件下样品的拉曼特征峰非常低，拉曼峰值在常低，拉曼峰值在279cm-1处；处；但是退火后，特征峰强增加但是退火后，特征峰强增加了一个数量级，线形也变得了一个数量级，线形也

12、变得对称，说明样品已经很好的对称，说明样品已经很好的结晶。结晶。四、结果与讨论四、结果与讨论-6-4-20246-10123456 A BI (mA)Voltage (V)图图(5) 退火样品退火样品(A)与未退火样与未退火样品品(B)的的I-V特性曲线特性曲线从图从图(5)中可以看出：两个样品都中可以看出：两个样品都具有高质量的具有高质量的I-V特性，开启电压特性，开启电压很小很小(0.25V)，在电压，在电压0-5V的范围的范围内内, 电流随电压的增加呈类指数形电流随电压的增加呈类指数形式递增，且退火样品的增幅明显大式递增，且退火样品的增幅明显大于未退火样品于未退火样品 ；当在；当在V0时

13、，反向时，反向漏电流几乎为零，并随反向偏压的漏电流几乎为零，并随反向偏压的漏电流也很小。此时两个样品的漏电流也很小。此时两个样品的I-V曲线几乎完全相同。曲线几乎完全相同。 四、结果与讨论四、结果与讨论-2-10123-2-10123456 A BV/V H (G)图图(6) 量子环的在有无磁场量子环的在有无磁场存在时的电压差存在时的电压差 图图(6)显示出在磁场分界处显示出在磁场分界处电压差电压差V随着外部有效增随着外部有效增长而迅速增长。退火样品长而迅速增长。退火样品(A)的电压差最大为的电压差最大为4V，未，未退火样品退火样品(B)的最大电压差的最大电压差为为3V。相反的，在反向磁。相反

14、的，在反向磁场时，两样品的电压差场时，两样品的电压差V都迅速趋向饱和状态。都迅速趋向饱和状态。四、结果与讨论四、结果与讨论0.00.51.01.52.02.53.00306090120150180 A BMagnetic Resistance (k ) H (Oe)图图(7) 量子环的在有无磁场存在时量子环的在有无磁场存在时的磁阻差的磁阻差 如图如图(7)所示：当磁场强度所示：当磁场强度H小于小于0.75Oe时，磁阻时，磁阻R随着磁场增大直线增大，随着磁场增大直线增大，然后增长趋势变缓趋向饱然后增长趋势变缓趋向饱和。在磁场分界处和。在磁场分界处R有很有很大改变。未退火样品和退大改变。未退火样品

15、和退火样品饱和火样品饱和R不同，分别不同，分别趋向趋向125K 和和 163 k。说。说明明Gel-xMnx环样品具有巨大环样品具有巨大的磁阻。的磁阻。四、结果与讨论四、结果与讨论-4000-3000-2000-100001000 2000 3000 4000-0.0004-0.00020.00000.00020.0004(a)300 KM (emu/g)H(g)图图(8) 退火退火样样品品与与未退火未退火样样品品300K时时的磁的磁滞滞回回线线 图图(8)是退火样品是退火样品(红红)与未退火与未退火样品样品(黑黑)在室温下的磁滞回线。在室温下的磁滞回线。这结果表明室温下这结果表明室温下Gel

16、-xMnx环环出现了较强的铁磁性。磁滞回出现了较强的铁磁性。磁滞回线中上升陡峭处表明样品是内线中上升陡峭处表明样品是内在稀磁半导体。样品表明性质在稀磁半导体。样品表明性质相似的磁滞回线增大磁性效果相似的磁滞回线增大磁性效果显著。显著。室温铁磁性和其他人报道的室温铁磁性和其他人报道的Ge:Mn纳米线铁磁性是一致的。纳米线铁磁性是一致的。我们相信样品的铁磁性是由于掺杂的我们相信样品的铁磁性是由于掺杂的Mn原子引起的。原子引起的。五、全文总结五、全文总结u本文主要介绍了采用本文主要介绍了采用PECVD和磁控溅射法相结合制备和磁控溅射法相结合制备稀磁稀磁 Gel-xMnx薄膜，系统的研究了退火与未退火条件薄膜，系统的研究了退火与未退火条件下，样品表面形貌变化；测试了样品的微观结构，分下，样品表面形貌变化；测试了样品的微观结构，分析样品电学特性；运用超导量子干涉仪测量样品的磁析样品电学特性；运用超导量子干涉仪测量样品的磁滞回线，表征其磁学性能。滞回线，表征其磁学性能。 u研究发现我们所制备的研究发现我们所制备的Ge:Mn磁性量子环均匀地低分磁性量子环均匀地低分散在硅片上，呈漂亮的、高度对称的环形