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1、Mn掺杂的Ge量子环的电磁特性研究,论文的结构和主要内容,第一部分：绪论第二部分：样品制备技术与表征方法第三部分：磁控溅射法制备Ge1-XMnX及其特性研究第四部分：结论,一、稀磁半导体简介,稀磁半导体(DMS)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。它能利用电子的电荷特性和自旋特性，即兼具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息处理与磁性材料的信息存储功能融合在一起。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、磁感应器和自旋量子计算机等领域蕴涵着巨大的潜在应用前景。,背景：20世纪60年代，人们首次发现铁磁性与半导体性质

2、可以共存。21世纪初，Park等人发现了Mn掺杂Ge基稀磁半导体材料的铁磁性之后，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(FLAPW)从理论上得到高达400K的居里温度，Gel-xMnx稀磁半导体便成为研究热点。综合分析目前已有的研究成果发现，对于Gel-xMnx稀磁半导体的研究大都以Ge纳米线为掺杂对象，而对Ge量子环的掺杂研究较少。因此，我们选择“Mn掺杂Ge量子环的电磁特性研究”作为研究课题。,二、研究背景及意义,二、研究背景及意义,锗Ge，位于元素周期表中第4周期第A族的元素，是常见的半导体材料之一，单晶Ge具有金刚石结构。由于具有比Si材料高的电子和

3、空穴迁移率，较小的玻尔半径及禁带宽度，同时能与Si基半导体工业匹配，其低维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、低功耗的光电子器件。所以Ge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Si基半导体工艺相兼容。,二、研究背景及意义,意义：研究Ge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，由于稀磁半导体具有巨g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Ge基稀磁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，Ge基稀磁半导

4、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。,三、制备及研究方法,n-Si(100),n-Si(100),Ge层,n-Si(100),Mn/Ge复合层,(b),(a),Ge层,制备方法如右图所示：将n-Si衬底清洗干净并用N2吹干备用先利用PECVD法在n-Si衬底上沉积单分散Ge量子环薄膜。然后在生长好的Ge量子环薄膜上用磁控溅射法掺杂Mn原子制备稀磁 Gel-xMnx薄膜。最后将样品在700温度下Ar环境中进行退火处理。,图(1)样品制备流程,三、制备及研究方法,表征方法：通过扫描电子显微镜（SEM）观察了其表面形貌变化；拉曼测试仪，X射线能谱图（EMAX）等表征手段测试了样品的

5、微观结构；根据霍尔效应观察掺杂浓度、I-V特征曲线和磁阻特性；利用超导量子干涉仪（SQUID）测量样品的磁性。,四、结果与讨论,(a),(b)放大的图,右图(a)为退火样品的表面SEM图，可以看出所制备的Ge:Mn磁性量子环均匀地低分散在硅片上，呈漂亮的、高度对称的环形形状，且各环之间分布均匀，互相独立。从放大图片(b)可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。,图(2)在Si衬底上Mn掺杂Ge量子环的扫描电子显微镜下的照片,四、结果与讨论,图(3)退火样品的X射线能谱图,右图为退火样品的EMAX能谱图，能谱图中

6、显示，样品含有Si，Ge，Mn三种物质峰值浓度分别为48%，37.6%和6.4%。这表明Mn原子有效地掺杂进Ge量子环，达到峰值浓度6.4%。由能量谱得到理想配比 为Ge0.48Si0.38 Mn0.06。,四、结果与讨论,图(4)Mn掺杂Ge量子环退火与未退火的拉曼光谱,实验证明，随着衬底温度的升高，峰位向300cm-1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Ge-Mn峰或者Mn-Mn特征峰。,由图(4)可以看到，在未退火条件下样品的拉曼特征峰非常低，拉曼峰值在279cm-1处；但是退火后，特征峰强增加了一个数量级，线形也变得对称，说明样品已经很好的结晶。,四、结果与讨

7、论,图(5)退火样品(A)与未退火样品(B)的I-V特性曲线,从图(5)中可以看出：两个样品都具有高质量的I-V特性，开启电压很小(0.25V)，在电压0-5V的范围内,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于未退火样品；当在V0时，反向漏电流几乎为零，并随反向偏压的漏电流也很小。此时两个样品的I-V曲线几乎完全相同。,四、结果与讨论,图(6)量子环的在有无磁场存在时的电压差,图(6)显示出在磁场分界处电压差V随着外部有效增长而迅速增长。退火样品(A)的电压差最大为4V，未退火样品(B)的最大电压差为3V。相反的，在反向磁场时，两样品的电压差V都迅速趋向饱和状态。,四、结果与

8、讨论,图(7)量子环的在有无磁场存在时的磁阻差,如图(7)所示：当磁场强度H小于0.75Oe时，磁阻R随着磁场增大直线增大，然后增长趋势变缓趋向饱和。在磁场分界处R有很大改变。未退火样品和退火样品饱和R不同，分别趋向125K 和 163 k。说明Gel-xMnx环样品具有巨大的磁阻。,四、结果与讨论,图(8)退火样品与未退火样品300K时的磁滞回线,图(8)是退火样品(红)与未退火样品(黑)在室温下的磁滞回线。这结果表明室温下Gel-xMnx环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显著。,室温铁磁性和其他人报道的Ge:Mn纳米线

9、铁磁性是一致的。我们相信样品的铁磁性是由于掺杂的Mn原子引起的。,五、全文总结,本文主要介绍了采用PECVD和磁控溅射法相结合制备稀磁 Gel-xMnx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。研究发现我们所制备的Ge:Mn磁性量子环均匀地低分散在硅片上，呈漂亮的、高度对称的环形形状。在室温下具有很强的饱和磁化强度和矫顽力，呈现出很强铁磁性特征。因此，该磁性Ge:Mn量子环可用于制备各种电磁器件，如电磁开关和存储器等。,本课题在整个研究过程中得到XXX老师的悉心指导。从选定论文课题开始，X老师多次询问研究进程，并为我解答研究过程中遇到的各种疑问，帮助我不断深入了解整个实验过程及原理。在样品分析和论文写作过程中也得到马老师的悉心帮助；在实验方面，XXX、XXX两位老师给了我很大的指导与帮助。在此我特别向XXX和XXX、XXX三位老师致以诚挚的谢意。同时向所有给予我帮助的其他老师致以衷心的感谢。,六、致谢,谢谢大家！,