畢業(yè)論文答辯pptMn摻雜的Ge量子環(huán)的電磁特性研究

1、logo指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：xxxxxxmnmn摻雜的摻雜的gege量子環(huán)的電磁特性研究量子環(huán)的電磁特性研究nxxxxxxxxn學(xué)生：學(xué)生：xxxxxxn學(xué)號：學(xué)號：0xxxxx0xxxxx論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容u第一第一部分：緒論部分：緒論u第二第二部分：樣品制備技術(shù)與表征方法部分：樣品制備技術(shù)與表征方法u第三第三部分：磁控濺射法制備部分：磁控濺射法制備ge1-xmnx及其特性研究及其特性研究u第四部分第四部分：結(jié)論：結(jié)論一、稀磁半導(dǎo)體簡介一、稀磁半導(dǎo)體簡介u稀磁半導(dǎo)體稀磁半導(dǎo)體(dms)是在半導(dǎo)體中摻雜低濃度的過渡金是在半導(dǎo)體中摻雜低濃度的過渡金屬離子而生成的磁性材料。屬

2、離子而生成的磁性材料。 u它能利用電子的電荷特性和自旋特性，即兼具半導(dǎo)體材它能利用電子的電荷特性和自旋特性，即兼具半導(dǎo)體材料和磁性材料的雙重性，也就是說它將半導(dǎo)體材料的信料和磁性材料的雙重性，也就是說它將半導(dǎo)體材料的信息處理與磁性材料的信息存儲功能融合在一起。息處理與磁性材料的信息存儲功能融合在一起。u這類材料制成器件尺寸更小、運算速度更快、功耗更低這類材料制成器件尺寸更小、運算速度更快、功耗更低、且存在非易失性，在半導(dǎo)體集成電路、磁感應(yīng)器和自、且存在非易失性，在半導(dǎo)體集成電路、磁感應(yīng)器和自旋量子計算機(jī)等領(lǐng)域蘊涵著巨大的潛在應(yīng)用前景。旋量子計算機(jī)等領(lǐng)域蘊涵著巨大的潛在應(yīng)用前景。 n背景：背景：

3、 20世紀(jì)世紀(jì)60年代，人們首次發(fā)現(xiàn)鐵磁性與半導(dǎo)體性質(zhì)可以共年代，人們首次發(fā)現(xiàn)鐵磁性與半導(dǎo)體性質(zhì)可以共存。存。21世紀(jì)初，世紀(jì)初，park等人發(fā)現(xiàn)了等人發(fā)現(xiàn)了mn摻雜摻雜ge基稀磁半導(dǎo)體材基稀磁半導(dǎo)體材料的鐵磁性之后，料的鐵磁性之后，族基稀磁半導(dǎo)體材料吸了引人們的注意族基稀磁半導(dǎo)體材料吸了引人們的注意力。隨后，趙玉軍等人使用全電子密度泛函力。隨后，趙玉軍等人使用全電子密度泛函(flapw)從理從理論上得到高達(dá)論上得到高達(dá)400k的居里溫度，的居里溫度，gel-xmnx稀磁半導(dǎo)體便成稀磁半導(dǎo)體便成為研究熱點。為研究熱點。 綜合分析目前已有的研究成果發(fā)現(xiàn)，對于綜合分析目前已有的研究成果發(fā)現(xiàn)，對于g

4、el-xmnx稀磁半導(dǎo)稀磁半導(dǎo)體的研究大都以體的研究大都以ge納米線為摻雜對象，而對納米線為摻雜對象，而對ge量子環(huán)的摻量子環(huán)的摻雜研究較少。因此，我們選擇雜研究較少。因此，我們選擇“mn摻雜摻雜ge量量子環(huán)的電磁特子環(huán)的電磁特性研究性研究”作為研究課題。作為研究課題。二、研究背景及意義二、研究背景及意義二、研究背景及意義二、研究背景及意義u鍺鍺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，是常見的半導(dǎo)體材料之一，單晶是常見的半導(dǎo)體材料之一，單晶ge具有金剛石結(jié)構(gòu)。由具有金剛石結(jié)構(gòu)。由于具有比于具有比si材料高的電子和空穴遷移率，較小的玻爾半材料高的電子和空穴

5、遷移率，較小的玻爾半徑及禁帶寬度，同時能與徑及禁帶寬度，同時能與si基半導(dǎo)體工業(yè)匹配，其低維基半導(dǎo)體工業(yè)匹配，其低維結(jié)構(gòu)具有顯著的量子尺寸效應(yīng)和量子隧穿效應(yīng)。結(jié)構(gòu)具有顯著的量子尺寸效應(yīng)和量子隧穿效應(yīng)。 這些效應(yīng)可用于制備工作電流閾值低、高速、低功耗的這些效應(yīng)可用于制備工作電流閾值低、高速、低功耗的光電子器件。所以光電子器件。所以ge基稀磁半導(dǎo)體不但居里溫度較高、基稀磁半導(dǎo)體不但居里溫度較高、電子傳輸性能良好，而且還能與目前廣泛應(yīng)用的電子傳輸性能良好，而且還能與目前廣泛應(yīng)用的si基半基半導(dǎo)體工藝相兼容。導(dǎo)體工藝相兼容。二、研究背景及意義二、研究背景及意義n意義：意義： 研究研究ge基稀磁半導(dǎo)體不

6、僅豐富磁學(xué)和半導(dǎo)體物理理論基稀磁半導(dǎo)體不僅豐富磁學(xué)和半導(dǎo)體物理理論體系，促進(jìn)固體物理學(xué)的發(fā)展。同時，由于稀磁半導(dǎo)體系，促進(jìn)固體物理學(xué)的發(fā)展。同時，由于稀磁半導(dǎo)體具有巨體具有巨g因子效應(yīng)、磁光電效應(yīng)等新的物理效應(yīng)，并因子效應(yīng)、磁光電效應(yīng)等新的物理效應(yīng)，并且有優(yōu)良的結(jié)晶學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。利用且有優(yōu)良的結(jié)晶學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。利用ge基稀磁基稀磁半導(dǎo)體制成的器件具有速度快、體積小、耗能低、非半導(dǎo)體制成的器件具有速度快、體積小、耗能低、非易失性、多載流子等優(yōu)點。相信在不久的將來易失性、多載流子等優(yōu)點。相信在不久的將來，ge基基稀磁半導(dǎo)體器件一定能取代現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件而成為稀磁半導(dǎo)體器件一定能取代現(xiàn)有

7、的半導(dǎo)體器件而成為信息處理的主角。信息處理的主角。三、制備及研究方法三、制備及研究方法n-si(100)n-si(100)ge層n-si(100)mn/ge復(fù)合層(a)ge層制備方法如右圖所示：制備方法如右圖所示：n將將n-si襯底清洗干凈并用襯底清洗干凈并用n2吹干備吹干備用用n先利用先利用pecvd法在法在n-si襯底上沉積襯底上沉積單分散單分散ge量子環(huán)薄膜。量子環(huán)薄膜。n然后在生長好的然后在生長好的ge量子環(huán)薄膜上用量子環(huán)薄膜上用磁控濺射法摻雜磁控濺射法摻雜mn原子制備稀磁原子制備稀磁 gel-xmnx薄膜薄膜。n最后將樣品在最后將樣品在700溫度下溫度下ar環(huán)境環(huán)境中進(jìn)行退火處理。中

8、進(jìn)行退火處理。圖圖 (1) 樣樣品制品制備備流程流程三、制備及研究方法三、制備及研究方法表征方法：表征方法：u通過掃描電子顯微鏡（通過掃描電子顯微鏡（sem）觀察了其表面形貌變化；）觀察了其表面形貌變化；u拉曼測試儀，拉曼測試儀，x射線能譜圖（射線能譜圖（emax）等表征手段測試了）等表征手段測試了樣品的微觀結(jié)構(gòu)；樣品的微觀結(jié)構(gòu)；u根據(jù)霍爾效應(yīng)觀察摻雜濃度、根據(jù)霍爾效應(yīng)觀察摻雜濃度、i-v特征曲線和磁阻特性；特征曲線和磁阻特性；u利用超導(dǎo)量子干涉儀（利用超導(dǎo)量子干涉儀（squid）測量樣品的磁性。）測量樣品的磁性。四、結(jié)果與討論四、結(jié)果與討論(a)(b)放放大大的的圖圖右圖右圖(a)為退火樣品

9、的表面為退火樣品的表面sem圖，圖，可以看出所制備的可以看出所制備的ge:mn磁性量子環(huán)磁性量子環(huán)均勻地低分散在硅片上，呈漂亮的、均勻地低分散在硅片上，呈漂亮的、高度對稱的環(huán)形形狀，且各環(huán)之間分高度對稱的環(huán)形形狀，且各環(huán)之間分布均勻，互相獨立。從放大圖片布均勻，互相獨立。從放大圖片(b)可可以看出量子環(huán)的直徑約為以看出量子環(huán)的直徑約為6um。除量子環(huán)以外其它的區(qū)域，界面變得除量子環(huán)以外其它的區(qū)域，界面變得非常平整，說明擴(kuò)散退火極好的改變非常平整，說明擴(kuò)散退火極好的改變了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與表面形貌。了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與表面形貌。圖圖(2) 在在si襯底上襯底上mn摻雜摻雜ge量子量子環(huán)的掃描電子顯微

10、鏡下的照片環(huán)的掃描電子顯微鏡下的照片 四、結(jié)果與討論四、結(jié)果與討論圖圖(3) 退火樣品的退火樣品的x射線能譜圖射線能譜圖右圖為退火樣品的右圖為退火樣品的emax能譜圖，能譜圖中顯示，能譜圖，能譜圖中顯示，樣品含有樣品含有si，ge，mn三三種物質(zhì)峰值濃度分別為種物質(zhì)峰值濃度分別為48%，37.6%和和6.4%。這。這表明表明mn原子有效地?fù)诫s進(jìn)原子有效地?fù)诫s進(jìn)ge量子環(huán)，達(dá)到峰值濃度量子環(huán)，達(dá)到峰值濃度6.4%。由能量譜得到理想。由能量譜得到理想配比配比 為為ge0.48si0.38 mn0.06 。四、結(jié)果與討論四、結(jié)果與討論100200300400500050010001500200025

11、003000annealledas grown279298 intensity (a.u.)wave number (cm-1)圖圖(4) mn摻雜摻雜ge量子環(huán)退火與量子環(huán)退火與未退火的拉曼光譜未退火的拉曼光譜實驗證明，隨著襯底溫度的升高，峰位向?qū)嶒炞C明，隨著襯底溫度的升高，峰位向300cm-1處移動，該處移動，該拉曼特征峰會越強，結(jié)晶性變得越好。在拉曼譜中沒有發(fā)現(xiàn)拉曼特征峰會越強，結(jié)晶性變得越好。在拉曼譜中沒有發(fā)現(xiàn)ge-mn峰或者峰或者mn-mn特征峰。特征峰。由圖由圖(4)可以看到，在未退火可以看到，在未退火條件下樣品的拉曼特征峰非條件下樣品的拉曼特征峰非常低，拉曼峰值在常低，拉曼峰值在

12、279cm-1處；處；但是退火后，特征峰強增加但是退火后，特征峰強增加了一個數(shù)量級，線形也變得了一個數(shù)量級，線形也變得對稱，說明樣品已經(jīng)很好的對稱，說明樣品已經(jīng)很好的結(jié)晶。結(jié)晶。四、結(jié)果與討論四、結(jié)果與討論-6-4-20246-10123456 a bi (ma)voltage (v)圖圖(5) 退火樣品退火樣品(a)與未退火樣與未退火樣品品(b)的的i-v特性曲線特性曲線從圖從圖(5)中可以看出：兩個樣品都中可以看出：兩個樣品都具有高質(zhì)量的具有高質(zhì)量的i-v特性，開啟電壓特性，開啟電壓很小很小(0.25v)，在電壓，在電壓0-5v的范圍的范圍內(nèi)內(nèi), 電流隨電壓的增加呈類指數(shù)形電流隨電壓的增加

13、呈類指數(shù)形式遞增，且退火樣品的增幅明顯大式遞增，且退火樣品的增幅明顯大于未退火樣品于未退火樣品 ；當(dāng)在；當(dāng)在v0時，反向時，反向漏電流幾乎為零，并隨反向偏壓的漏電流幾乎為零，并隨反向偏壓的漏電流也很小。此時兩個樣品的漏電流也很小。此時兩個樣品的i-v曲線幾乎完全相同。曲線幾乎完全相同。 四、結(jié)果與討論四、結(jié)果與討論-2-10123-2-10123456 a bv/v h (g)圖圖(6) 量子環(huán)的在有無磁場量子環(huán)的在有無磁場存在時的電壓差存在時的電壓差 圖圖(6)顯示出在磁場分界處顯示出在磁場分界處電壓差電壓差v隨著外部有效增隨著外部有效增長而迅速增長。退火樣品長而迅速增長。退火樣品(a)的電

14、壓差最大為的電壓差最大為4v，未，未退火樣品退火樣品(b)的最大電壓差的最大電壓差為為3v。相反的，在反向磁。相反的，在反向磁場時，兩樣品的電壓差場時，兩樣品的電壓差v都迅速趨向飽和狀態(tài)。都迅速趨向飽和狀態(tài)。四、結(jié)果與討論四、結(jié)果與討論0.00.51.01.52.02.53.00306090120150180 a bmagnetic resistance (k ) h (oe)圖圖(7) 量子環(huán)的在有無磁場存在時量子環(huán)的在有無磁場存在時的磁阻差的磁阻差 如圖如圖(7)所示：當(dāng)磁場強度所示：當(dāng)磁場強度h小于小于0.75oe時，磁阻時，磁阻r隨著磁場增大直線增大，隨著磁場增大直線增大，然后增長趨勢

15、變緩趨向飽然后增長趨勢變緩趨向飽和。在磁場分界處和。在磁場分界處r有很有很大改變。未退火樣品和退大改變。未退火樣品和退火樣品飽和火樣品飽和r不同，分別不同，分別趨向趨向125k 和和 163 k。說。說明明gel-xmnx環(huán)樣品具有巨大環(huán)樣品具有巨大的磁阻。的磁阻。四、結(jié)果與討論四、結(jié)果與討論-4000-3000-2000-100001000 2000 3000 4000-0.0004-0.00020.00000.00020.0004(a)300 km (emu/g)h(g)圖圖(8) 退火退火樣樣品品與與未退火未退火樣樣品品300k時時的磁的磁滯滯回回線線 圖圖(8)是退火樣品是退火樣品(紅

16、紅)與未退火與未退火樣品樣品(黑黑)在室溫下的磁滯回線。在室溫下的磁滯回線。這結(jié)果表明室溫下這結(jié)果表明室溫下gel-xmnx環(huán)環(huán)出現(xiàn)了較強的鐵磁性。磁滯回出現(xiàn)了較強的鐵磁性。磁滯回線中上升陡峭處表明樣品是內(nèi)線中上升陡峭處表明樣品是內(nèi)在稀磁半導(dǎo)體。樣品表明性質(zhì)在稀磁半導(dǎo)體。樣品表明性質(zhì)相似的磁滯回線增大磁性效果相似的磁滯回線增大磁性效果顯著。顯著。室溫鐵磁性和其他人報道的室溫鐵磁性和其他人報道的ge:mn納米線鐵磁性是一致的。納米線鐵磁性是一致的。我們相信樣品的鐵磁性是由于摻雜的我們相信樣品的鐵磁性是由于摻雜的mn原子引起的。原子引起的。五、全文總結(jié)五、全文總結(jié)u本文主要介紹了采用本文主要介紹了

17、采用pecvd和磁控濺射法相結(jié)合制備和磁控濺射法相結(jié)合制備稀磁稀磁 gel-xmnx薄膜，系統(tǒng)的研究了退火與未退火條件薄膜，系統(tǒng)的研究了退火與未退火條件下，樣品表面形貌變化；測試了樣品的微觀結(jié)構(gòu)，分下，樣品表面形貌變化；測試了樣品的微觀結(jié)構(gòu)，分析樣品電學(xué)特性；運用超導(dǎo)量子干涉儀測量樣品的磁析樣品電學(xué)特性；運用超導(dǎo)量子干涉儀測量樣品的磁滯回線，表征其磁學(xué)性能。滯回線，表征其磁學(xué)性能。 u研究發(fā)現(xiàn)我們所制備的研究發(fā)現(xiàn)我們所制備的ge:mn磁性量子環(huán)均勻地低分磁性量子環(huán)均勻地低分散在硅片上，呈漂亮的、高度對稱的環(huán)形形狀。在室散在硅片上，呈漂亮的、高度對稱的環(huán)形形狀。在室溫下具有很強的飽和磁化強度和矯頑力，呈現(xiàn)出很強溫下具有很強的飽和磁化強度和矯頑力，呈現(xiàn)出很強鐵磁性特征。因此，該磁性鐵磁性特征。因此，該磁性ge:mn量子環(huán)可用于制備量子環(huán)可用于制備各種電磁器件，如電磁開關(guān)和存儲器等。各種電磁器件，如電磁開關(guān)和存儲器等。u本課題在整個研究過程中得到本課題在整個研究過程中得到xxx老師的悉心指導(dǎo)。從老師的悉心指導(dǎo)。從選定論文課題開始，選定論文課題開始，x老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我解