硅基铁磁半导体材料制备、微结构和磁学性质研究

Ferromagnetic Semiconductors (FMSs) open up a new research area for spintronics, which allow us to design novel spintronic devices from band engineering point of view. However, how to obtain intrinsic FMSs with high Curie temperatures still remains a great challenge so far. Due to advanced Si integration technology, exploration on Si based FMSs is of particular importance..Based on investigations of fabrication processes and designs of novel structures of materials, the project focuses on the fabrications, microstructures and magnetic properties of Si based FMS materials. The materials will be grown by MBE with two major approaches. One approach is based on interface effects, MnSi ultrathin film and MnSi/Si superlattice films will be explored to be grown epitaxially on Si substrates. The other approach is based on size and quantum confinements of quantum dots (QDs) and the coupling between them, the growth of FMS QD crystals will be investigated. The microstructures and magnetic properties of those materials will be studied. With all results obtained, the microstructures, the growth processes and the magnetic properties of the materials will be correlated. The mechanism for magnetic ordering in Si based FMSs will further be investigated. The novel structures for Si based FMSs will be explored. The work carried out in this project will have contribution to the understanding of magnetic ordering in FMSs with new opinions evidenced.

铁磁半导体为自旋电子学的研究开辟了一个新天地，它使得人们可以从能带工程的角度设计自旋电子学新型器件。然而，如何获得真正意义下的或者较高居里温度的铁磁半导体材料仍是目前面临的重大挑战。由于成熟的Si集成电路技术，硅基铁磁半导体的研究具有特别重要的地位。.项目着眼于材料制备过程探索和材料的新型结构设计，提出硅基铁磁半导体材料制备、微结构和磁学性质研究。材料制备方法利用分子束外延技术。主要包括以下两条途径的探索。一条途径基于的界面效应，制备MnSi超薄膜， MnSi/Si等超晶格薄膜。另一条途径基于量子点的尺寸和量子限制效应，以及量子点之间的耦合效应，制备磁性量子点晶体。通过对这些材料的微结构、磁学性质研究，寻找材料微结构、生长工艺和过程与磁学特性三者之间的关系和规律。探索硅基铁磁半导体磁有序的新机制和新型结构。为进一步认识铁磁半导体磁有序机制，提供科学依据和初步的理论阐述。

铁磁半导体为自旋电子学的研究开辟了一个新天地，它使得人们可以从能带工程的角度设计自旋电子学新型器件。由于成熟的Si集成电路技术，硅基铁磁半导体的研究具有特别重要的地位。项目着眼于材料制备过程探索和材料的新型结构设计，探索新型硅基铁磁材料及其磁学特性。.围绕硅基锰锗铁磁半导体材料的生长、微结构及磁学特性开展了以下三个方面的研究。（1）硅衬底上MnGe量子点的生长及生长条件对样品铁磁性的影响。结果表明具有铁磁性的MnGe量子点只能在较窄的生长温度窗口中获得，生长温度为450℃时量子点样品铁磁性信号最强。（2）组分、应变及Bδ掺杂对MnGe量子点样品铁磁性的影响。通过引入GeSi虚拟层来调节量子点中Ge/Si的比例及应变，同时作为空穴的量子阱层。实验表明完全应变的SiGe虚拟层将导致量子点中压应变和Ge组分的增加，这两种效应均有利于样品铁磁性的增强。另外，Bδ掺杂对量子点铁磁性增强不明显。（3）有序Si-SiGe/MnGe核壳结构纳米线阵列的制备及研究。结合微纳加工和MBE生长技术，在硅衬底上制备出有序Si-SiGe/MnGe纳米线阵列，并得到了居里温度(240 K)较高的样品，为之后自旋输运相关工作提供了基础。这些结果对硅基MnGe磁性半导体材料的制备、制备条件、微结构和磁学特性之间的关系及其规律提供了一些新的认识。.发表SCI论文14篇。会议论文10篇，其中国际学术会议邀请报告1篇，国内学术会议大会邀请报告2篇。培养研究生7名，其中4名取得博士学位，1名取得硕士学位。