與Si相容的自旋電子學材料的研究：磁性半導體.pdf

1、自旋電子學同時利用了電子的電荷和自旋兩種屬性，在器件內(nèi)部實現(xiàn)了電與磁的耦合，是新一代的電子學。自旋電子學材料是當前自旋電子學的關鍵問題，Si是現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎。實現(xiàn)自旋電子學材料與Si半導體工藝的融合將會極大的促進半導體一自旋電子學的發(fā)展。因此，探索與Si相容的自旋電子學材料具有重要意義。論文著眼于與Si相容，以(Zn，Cr)S、(Ga，Mn)P和MnxSi1-x為主要研究對象，采用基于密度泛函的第一性原理方法計算探討了鋅氧族化合物、

2、III-IV和IV族磁性半導體的摻雜磁性以及磁性產(chǎn)生機理。此外，論文還探討了新型寬禁帶絕緣體氧化物ZrO2和HfO2基磁性半導體的摻雜磁性以及這類材料向半導體中的自旋注入。 在第二章和第三章中，論文以(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P為主要研究對象系統(tǒng)探討了鋅氧族化合物和III-IV磁性半導體的摻雜磁性和熱力學性質(zhì)。研究表明，過渡金屬原子傾向于在半導體基體中平面團聚形成delta摻雜，delta摻雜構型往往具有增強的二維磁性。論

3、文系統(tǒng)考察了(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P的單層、半層、雙層delta摻雜和一些接近delta摻雜構型的構型(指原子通過短距遷移可以轉(zhuǎn)化為delta摻雜構型的構型)的磁性及能量狀態(tài)。研究表明，(Zn，Cr)S的所有研究的摻雜構型都具有半金屬鐵磁性；(Ga，Mn)P的單層和半層delta摻雜構型具有半金屬鐵磁性，而雙層為反鐵磁性。論文還考察了不同晶面上的delta摻雜。研究表明，在(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P的高對稱(001)面

4、上的delta摻雜構型往往具有增強的二維半金屬鐵磁性(更高的鐵磁穩(wěn)定性和理論上保持半金屬鐵磁性的使用溫度)，而在低對稱的(111)和(110)面上則失去鐵磁性或鐵磁性受到削弱。摻雜構型對磁性半導體磁性的影響可以采用配位場理論和Jahn-Teller理論進行解釋。 在第四章中，論文系統(tǒng)探討了MnxSi1-x磁性半導體的不同delta摻雜構型的磁性。研究表明，在Si的高對稱(001)面上delta摻雜比在低對稱(111)和(110)

5、面上的鐵磁性更穩(wěn)定；在Si(001)面上低濃度單層delta摻雜具有半金屬鐵磁性，而半層和多層則失去半金屬性質(zhì)。MnxSi1-x磁性半導體的磁性起源可以用配位場理論描述。與(Zn，Cr)S和(Ga，Mn)P不同，delta摻雜使MnxSi1-x磁性半導體的鐵磁穩(wěn)定性提高但保持半金屬鐵磁性的使用溫度降低。此外，論文還探討了Si1-xGex合金和SiC的摻雜磁性。 在第五章中，論文探討了新型寬禁帶絕緣體氧化物ZrO2和HfO2基磁性

6、半導體的摻雜磁性和這類材料向半導體的自旋注入。研究表明，熱電子彈道注入機制可以實現(xiàn)與Si相容性較差的磁性半導體或鐵磁體向Si的自旋注入。論文探討了(Zr，Mn)O2和(Hf，Mn)O2的特殊電子結構在熱電子彈道注入機制中的應用。論文指出采用這兩種材料作為自旋過濾材料不但能在費米能級處實現(xiàn)100％自旋極化注入，而且能在很大范圍的熱電子能級上實現(xiàn)100％自旋極化注入。論文觀察到注入到半導體中的電子自旋方向可以通過調(diào)整熱電子能量進行調(diào)制，這有

7、可能在電子自旋方向控制方面產(chǎn)生應用。 論文在各章中還探討了幾種常見3d過渡金屬原子在ZnS、GaP、Si和ZrO2的(001)面上delta摻雜的磁性。研究表明，摻雜原子對摻雜磁性有決定性影響。 論文在第二章中還探討了基體晶體結構和應力對摻雜磁性的影響。研究表明，基體晶體結構對稱性越高，體系的鐵磁穩(wěn)定性越高；一般來說，應力對磁性半導體磁性影響很大。但研究表明，在很大范圍內(nèi)應力對立方(Zn，Cr)S的穩(wěn)定性和半金屬性質(zhì)影響

8、不大。此外，論文在第二章中還探討了鋅硫族化合物的delta摻雜的極端情況一立方過渡金屬硫化物的磁性。論文指出立方VS、VSe、VTe、CrS、CrSe和CrTe等具有潛在的自旋電子學應用前景。 論文在第二章和第三章中還探討了一些與Si具有較好相容性的鋅硫族化合物和III-IV半導體及其合金的delta摻雜磁性。研究表明，立方(Zn，Cr)Se、(Ga，Mn)As、(Al，Mn)P、(Al，Mn)As、(Ga，Mn)PxAs1-x

9、和(Ga1-xAlx，Mn)P等等都具有穩(wěn)定的半金屬鐵磁性。此外，論文還探討了一些與Si相容性較差的半導體材料的delta摻雜磁性，如立方(Zn，Cr)o、(Zn，Cr)Te、(Ga，Mn)Sb、(Al，Mn)Sb、(In，Mn)Sb、(In，V)N和(In，Cr)N等等都具有穩(wěn)定的鐵磁性。研究表明，這些材料都具有潛在的自旋電子學應用前景。 論文指出，delta摻雜有望成為解決磁性半導體中摻雜過渡金屬原子的團聚控制問題的方法之一