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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- GaNMn中室溫長(zhǎng)程磁有序的研究
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡(jiǎn)介：
- 對(duì)于GaN:Mn稀磁半導(dǎo)體，其磁性起源是目前研究的焦點(diǎn)。本文提出了一個(gè)針對(duì)稀磁半導(dǎo)體體系納米尺度長(zhǎng)程磁有序的表征手段。在替代Ga位的Mn原子的密度高達(dá)3.8%，用mocvd方法生長(zhǎng)的薄膜上刻蝕人工微結(jié)構(gòu)，然后使用AFM和MFM等實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和計(jì)算模擬的方法，最終證實(shí)了長(zhǎng)程磁有序的存在，排除了納米團(tuán)簇導(dǎo)致室溫鐵磁性的可能性。非局域電子可能在這種長(zhǎng)程磁有序中起到了關(guān)鍵的作用。
- 詳細(xì)介紹：
- 稀磁半導(dǎo)體系統(tǒng)在自旋電子學(xué)方面具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值，而GaN:Mn具有很高的居里溫度，在各種稀磁半導(dǎo)體系統(tǒng)中具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。而GaN:Mn的磁性起源問題，至今仍未能夠很好地解決。因此目前對(duì)于GaN:Mn的研究，主要集中在這一方面。摻雜的磁性原子陣列、鐵磁性團(tuán)簇、第二相、襯底、接觸界面、以及其它外部沾污等都有可能導(dǎo)致GaN:Mn具有鐵磁性。本文提出了一個(gè)針對(duì)稀磁半導(dǎo)體體系納米尺度長(zhǎng)程磁有序的表征手段。GaN:Mn薄膜是用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（Mental Organic Chemical Vapor Depositon, MOCVD）生長(zhǎng)的，膜中替代Ga位的Mn原子的密度高達(dá)3.8%。在薄膜上刻蝕人工微結(jié)構(gòu)，并使用AFM和MFM等實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和計(jì)算模擬的方法，證實(shí)了GaN:Mn樣品中存在著長(zhǎng)程磁有序。而這一長(zhǎng)程磁有序的存在，說明了樣品中沒有納米團(tuán)簇等可能導(dǎo)致室溫鐵磁性的因素。非局域電子可能在這種長(zhǎng)程磁有序中起到了關(guān)鍵的作用。這一研究為進(jìn)一步探索GaN:Mn的磁性起源有一定的幫助。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目前對(duì)于稀磁半導(dǎo)體的磁性起源眾說紛紜。許多機(jī)制都有可能導(dǎo)致磁滯回線信號(hào)的產(chǎn)生，比如摻雜的磁性原子陣列、鐵磁性團(tuán)簇、第二相、襯底、接觸界面、以及其它外部沾污等。在我們的研究中發(fā)現(xiàn)，GaN:Mn樣品上刻蝕的人工微結(jié)構(gòu)中存在長(zhǎng)程磁有序。本文通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，證明了這種長(zhǎng)程磁有序的存在，并由此排除了團(tuán)簇等可能造成GaN:Mn中磁性的原因。對(duì)研究稀磁半導(dǎo)體的磁性起源有一定的幫助。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 在前人研究的基礎(chǔ)之上，原創(chuàng)性地提出了一種針對(duì)稀磁半導(dǎo)體系統(tǒng)磁性的研究手段，成功地證明了樣品中長(zhǎng)程磁有序的存在，為進(jìn)一步的研究打下了基礎(chǔ)。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 本文從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了我們GaN:Mn樣品中室溫長(zhǎng)程磁有序的存在，排除了團(tuán)簇在其中對(duì)磁性的貢獻(xiàn)。這種在樣品上刻蝕人工微結(jié)構(gòu)，并對(duì)其磁力顯微鏡數(shù)據(jù)的分析方法可以適用于各種稀磁半導(dǎo)體和稀磁氧化物體系。因此，本文提出的方法不僅解決了GaN:Mn材料磁性起源研究中的一些問題，也能夠?yàn)槠渌牧系难芯刻峁椭?/dd>
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文提出了一個(gè)針對(duì)稀磁半導(dǎo)體體系納米尺度長(zhǎng)程磁有序的表征手段，以此來研究其室溫鐵磁性的起源。文中的GaN:Mn薄膜是用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（Mental Organic Chemical Vapor Depositon, MOCVD）生長(zhǎng)的，膜中替代Ga位的Mn原子的密度高達(dá)3.8%。薄膜上存在著天然的位錯(cuò)坑，刻蝕了人工微結(jié)構(gòu)，并且用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）和磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscope, MFM）來表征這些表面的起伏情況。然后使用數(shù)值模擬來分析AFM和MFM的數(shù)據(jù)，最終證實(shí)了長(zhǎng)程磁有序的存在，排除了納米團(tuán)簇導(dǎo)致室溫鐵磁性的可能性。我們認(rèn)為非局域電子可能在這種長(zhǎng)程磁有序中起到了關(guān)鍵作用。
獲獎(jiǎng)情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻(xiàn)
- Accurate characterization of room-temperature long range magnetic order in GaN: Mn by magnetic force microscope ， 張宇昊等，中國(guó)科學(xué):2011.1,卷54，期1，頁15-18 Direct observation of room-temperature ferromagnetism of single-phase Ga0.962Mn0.038N by magnetic force microscopy ，陳志濤等， Journal of Applied Physics， 2010.11.1，卷108，期9，文獻(xiàn)編號(hào)093913
同類課題研究水平概述
- 早在一個(gè)世紀(jì)以前，半導(dǎo)體就進(jìn)入了人類的生活中。到目前為止，人們?nèi)栽谝岳秒娮拥碾姾蛇\(yùn)動(dòng)的自由度為主。電子自旋同樣具有自由度。利用這一點(diǎn)，我們可以實(shí)現(xiàn)更高效率的信息處理和更高的節(jié)能度，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 上世紀(jì)90年代初期，出現(xiàn)了以GaN:As為代表的GaN基稀磁半導(dǎo)體。該材料在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)中有著重要的應(yīng)用。然而其的居里溫度不足200K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用的需求。但隨后GaN:Mn的出現(xiàn)改變了這一點(diǎn)。GaN:Mn具有超過室溫的居里溫度。并且近年來其制備技術(shù)日漸成熟。因此，GaN:Mn材料具有非常良好的應(yīng)用前景。如果能夠弄清楚其室溫鐵磁性的來源，必定能夠幫助更好地掌握GaN:Mn材料的性質(zhì)，從而使其投入應(yīng)用更近一步。因此，近年來大量的研究集中與此。 目前對(duì)于GaN:Mn的鐵磁性起源，還沒有一個(gè)比較公認(rèn)的結(jié)論。目前主要的觀點(diǎn)有： 1、認(rèn)為（Ga,Mn）N中的磁性原子均勻分布并且自然產(chǎn)生磁場(chǎng)。在較低的Mn離子濃度下，大部分的Mn離子（接近+2價(jià)）替代Ga位。同時(shí)一部分（1℅-36℅，由生長(zhǎng)過程決定）形成Mn的小團(tuán)簇。這些Mn離子均勻分布在（Ga,Mn）N中，產(chǎn)生鐵磁性。 2、認(rèn)為鐵磁性來自于其中包含的Ga-Mn、Mn-N、Mn-Mn等團(tuán)簇或其他未知相。 Sato根據(jù)第一性原理，通過KKR-CPA方法計(jì)算表明，由于指數(shù)衰減，(Ga,Mn)N中的由雙交換作用主導(dǎo)的交換作用的范圍非常的小。這樣，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，在Mn濃度低的時(shí)候，GaMnN的高溫鐵磁性會(huì)非常的弱。而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是（Ga，Mn）N在高溫下，鐵磁性仍然很強(qiáng)。這可能可以由MnN團(tuán)簇和分離的MnN二次相的形成來解釋。 另外，研究表明，在（Ga,Mn）N系統(tǒng)中，Mn-Mn之間的分離對(duì)他們的磁性耦合有著關(guān)鍵的作用。如果Mn原子被放進(jìn)GaN塊材中，那么無論結(jié)構(gòu)弛豫與否，Mn原子之間的耦合都是鐵磁性的。相對(duì)的，在薄膜材料之中，結(jié)構(gòu)弛豫之前Mn原子之間是鐵磁性耦合，而在結(jié)構(gòu)弛豫之后就轉(zhuǎn)變成了反鐵磁耦合。 3、認(rèn)為鐵磁性是GaN價(jià)帶中的空穴和Mn離子之間的相互作用促成。研究發(fā)現(xiàn)，在（Ga，Mn）N中，Mn的電子軌道和N的電子電子的軌道有混合，這樣便造成了與（Ga，Mn）As不一樣的情況。這可能也是（Ga，Mn）N造成鐵磁性的原因之一。
