ZnO基磁性半導(dǎo)體和多鐵性氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延制備與物性研究.pdf

1、電子同時(shí)具有電荷和自旋兩種自由度。傳統(tǒng)的微電子學(xué)主要研究電子作為電荷載體在固體材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用。微電子技術(shù)是發(fā)展最快的技術(shù)之一，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。各種新型高性能器件的不斷涌現(xiàn)，使電子信息產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)世界發(fā)生了深刻變革。然而，隨著集成化程度的提高和器件尺寸的不斷縮小，工藝極限和量子限制效應(yīng)的影響逐漸顯著。于是，人們開始關(guān)注電子的另一內(nèi)稟屬性---自旋，自旋電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，并引發(fā)了信息技術(shù)領(lǐng)域的革命，磁盤存儲(chǔ)技術(shù)和磁敏傳感器技術(shù)

2、取得了飛速發(fā)展。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件相比，自旋電子學(xué)器件具有速度快、能耗低、非易失等優(yōu)點(diǎn)。
　　 隨著自旋電子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和新型材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)電子自旋自由度調(diào)控的方式逐漸多樣化，主要可分為:磁場調(diào)控，電場調(diào)控，光調(diào)控等。多場調(diào)控的需求，使人們對(duì)具有多功能特性的材料體系表現(xiàn)出極大的興趣，比如磁性和半導(dǎo)體特性結(jié)合的磁性半導(dǎo)體材料，鐵磁和鐵電（或鐵彈）結(jié)合的多鐵性材料等。在本論文中，我們選擇了磁性半導(dǎo)體材料和多鐵性材料這兩類不同的

3、多功能材料體系，開展了自旋電子學(xué)相關(guān)的研究。
　　 電子自旋可以通過磁場直接調(diào)控，其中巨磁電阻效應(yīng)已經(jīng)在硬盤磁讀頭、磁性傳感器等方面得到應(yīng)用?；谒泶┐烹娮栊?yīng)的器件將在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器、自旋晶體管等方面有重要的應(yīng)用前景。磁性半導(dǎo)體材料用于隧穿磁電阻器件，使器件不但具有非易失性、非破壞性、壽命長等特點(diǎn)，還易與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件集成。Mn摻雜GaAs是研究最多且相對(duì)成熟的磁性半導(dǎo)體體系，但由于其居里溫度(191K)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫而無法實(shí)行工

4、業(yè)應(yīng)用。ZnO是第三代寬禁帶半導(dǎo)體，Co摻雜ZnO的居里溫度高于室溫，是最有潛力的磁性半導(dǎo)體材料。本論文通過優(yōu)化工藝條件，利用分子束外延技術(shù)制備了具有室溫鐵磁性的高品質(zhì)(Zn,Co)O薄膜，結(jié)合半導(dǎo)體光刻技術(shù)，成功制備了完全外延的(Zn,Co)O/(Zn,Mg)O/(Zn,Co)O磁性隧道結(jié)，并且在5K1.8T磁場下觀察到了85.6％的正磁電阻，這是目前在ZnO基磁性隧道結(jié)中報(bào)道的最大的隧穿磁電阻。其巨大的隧穿磁電阻是(Zn，Co)O/

5、(Zn，Mg)O界面處自旋反轉(zhuǎn)散射的抑制和sp-d交換相互作用導(dǎo)致的導(dǎo)帶電子自旋劈裂共同作用的結(jié)果。隧道結(jié)的結(jié)電阻與T3成線性關(guān)系，表明其隧穿機(jī)制為通過勢壘層中2個(gè)局域態(tài)的直接非彈性躍遷。
　　 電場調(diào)控磁矩和電子自旋的途徑之一是通過磁和鐵電序參量相互耦合的多鐵性材料體系。多鐵性材料不但同時(shí)具有鐵磁性（或反鐵磁）和鐵電性，還具有鐵磁—鐵電序參量相互耦合的磁電耦合效應(yīng)，使其同時(shí)體現(xiàn)鐵磁性和鐵電性材料的優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)鐵磁-鐵電高密度

6、多態(tài)存儲(chǔ)器。利用鐵電的快速寫入特性和鐵磁的快速讀出特性，有望在電場調(diào)控的快速讀和寫的磁性存儲(chǔ)器中得到應(yīng)用。雖然多鐵性材料受到了人們的極大關(guān)注，但是對(duì)于多鐵性材料的樣品制備、物理性能和磁電耦合機(jī)理的研究仍然處于初級(jí)階段。自然界中的單相多鐵性材料比較稀少，BiFeO3(BFO)是目前唯一在室溫下具有鐵電性和反鐵磁性的多鐵性材料。從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，還可以利用鐵磁—鐵電（壓電、鐵彈）構(gòu)建復(fù)合多鐵性材料。本論文研究了BFO單晶薄膜外延的工藝條件，以

7、及應(yīng)力與外延BFO薄膜豐富的晶體結(jié)構(gòu)、鐵電性和磁性的關(guān)聯(lián)相互作用。研究了基于無鉛壓電薄膜的xCoFe2O4(CFO)/(1-x)K0.5Na0.5NbO3(KNN)多鐵性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁介電效應(yīng)。
　　 由于BFO薄膜的合成窗口較窄，常伴有Bi2O3，Bi2Fe4O9，F(xiàn)e2O3等雜相，嚴(yán)重影響了對(duì)其本征性質(zhì)的研究。本論文通過對(duì)生長工藝的的探索和優(yōu)化，利用氧等離子體輔助的分子束外延技術(shù)在STO(001)、STO(111)以及斜切的S

8、TO單晶襯底成功制備了高質(zhì)量的BFO薄膜，系統(tǒng)研究了其結(jié)構(gòu)、漏電流、磁性、鐵電性和壓電性等。優(yōu)化的主要生長參數(shù)為:氧氣壓～10-6mbar，Bi和Fe的束流比7∶1，襯底溫度:430-450℃。
　　 對(duì)于TiO2終止面的STO(001)襯底，當(dāng)厚度為50nm以下時(shí)，BFO是完全應(yīng)變的四方相，其與STO基片之間的外延關(guān)系為:(001)[100]BFO//(001)[100]STO。當(dāng)BFO薄膜的厚度大于80nm時(shí)，除了c/a較小

9、的R-like相(c/a～1.04)外，還發(fā)現(xiàn)了少量c/a較大的T-like相（c/a～1.2）。BFO具有不規(guī)則的電疇結(jié)構(gòu)，在10V電壓下可以實(shí)現(xiàn)電疇的翻轉(zhuǎn)。BFO薄膜具有較小的漏電流，當(dāng)電場為-100kV/cm時(shí)，BFO/STO(001)的漏電流密度為3.4×104A/cm2，并在Pt/BFO/Nb-STO三明治結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了雙極性的電致電阻效應(yīng)。
　　 BFO在STO(111)襯底上為三維島狀生長。研究表明BFO/STO(1

10、11)為菱方畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)隨薄膜厚度變化不明顯。BFO/STO(111)為均勻的單疇結(jié)構(gòu)。與BFO/STO(001)相比，BFO/STO(111)具有更小的漏電流，當(dāng)電場為-100kV/cm時(shí)，BFO/STO(111)的漏電流密度為4.5×10-6A/cm2。且介電常數(shù)隨頻率的變化更為緩慢，介電損耗也更小。這歸因于BFO/STO(111)中更少的缺陷（如氧空位、鉍空位等）。
　　 在斜切STO(001)襯底上，外延的B

11、FO薄膜均為單斜MA結(jié)構(gòu)，BFO的晶格常數(shù)隨厚度稍有變化，但變化微乎其微。斜切面上的BFO具有比BFO/STO(001)更小的漏電流密度，電流密為2.81×10-7A/cm2@100kV/cm，且BFO只有兩種極化取向。在c方向的超結(jié)構(gòu)，可以歸結(jié)于氧八面體的旋轉(zhuǎn)。同時(shí)氧八面體的旋轉(zhuǎn)也導(dǎo)致Fe的磁矩的偏轉(zhuǎn)，從而使得斜切襯底上的BFO薄膜具有微弱的室溫鐵磁性。
　　 利用射頻磁控濺射技術(shù)制備了無鉛壓電KNN薄膜，研究了制備工藝和退火