p型导电的氮掺杂氧化铟薄膜中的d0铁磁性及p-In2(OxN1-x)3/n- In2O3 异质结的特性研究

本项目拟选取氮掺杂氧化铟薄膜作为研究对象，采用磁控溅射方法，通过优化薄膜生长过程中的各种工艺参数以及后续的在不同气氛、不同温度下的退火处理制备出高品质、低缺陷的p型导电的外延氮掺杂氧化铟薄膜，获得稳定的d0铁磁性。重点研究样品内部氮元素的分布、氧空位及载流子浓度等因素对d0铁磁性的调控作用，揭示影响d0铁磁性的各种因素以及d0铁磁性的作用机理。在此基础上，将p型导电的氮掺杂氧化铟薄膜与n型导电的氧化铟薄膜合成为p-In2(OxN1-x)3/n- In2O3异质结，有效验证通过在氧化铟中进行氮掺杂引入自旋极化载流子的可行性并研究其作为自旋阀所具备的磁场调控自旋极化电流的开关特性。

本项目在执行期内计发表论文8篇，达到了项目申请时制定的预期目标，取得的主要进展如下：.（1）通过改变纯氧化铟薄膜制备过程中的氧氩流量比，在石英玻璃基底上制备了一系列的纯氧化铟薄膜，实现了导电类型由n向p型的转变，获得了稳定的d0铁磁性，并探讨了在不同导电区铁磁性可能的来源，认为在n及p型导电区，薄膜的d0铁磁性分别与氧空位及铟空位相关。.（2）为了进一步验证n型导电样品中铁磁性与氧空位的关系，对相应的样品进行了真空退火，发现退火后随着更过氧的缺陷态出现的同时， 薄膜的d0铁磁性有了明显的增强，信号强度由0.5emu/cm3增大至5.5emu/cm3。说明氧空位与d0铁磁性的来源有着密切的关系，进一步认定纯氧化铟薄膜中的的d0铁磁性与一价氧空位（VO+）、氧空位的团簇及二者之间的耦合作用相关。.（3）通过改变制备过程中的氮氩流量比，在石英玻璃基底上获得了一系列氮掺杂的氧化铟薄膜样品，通过与纯氧化铟薄膜性质的对比，认为氮掺杂氧化铟薄膜样品中的d0铁磁性与替代氧位的氮相关，铁磁耦合可能来源于N 2p态间的间接交换作用。.（4）尝试了在不同温度及不同时长下将溅射生长的InN薄膜进行热氧化获得氮掺杂氧化铟薄膜的方法，并研究了其相应的结构及磁特性，结果同样证明氮掺杂氧化铟薄膜样品中的d0铁磁性与进入晶格取代氧位的氮的浓度密切相关。.（5）对铁掺杂氧化铟薄膜的铁磁性来源做了探讨：通过在铁掺杂氧化铟薄膜中进行不同浓度的Sn掺杂，提高了样品内部的载流子浓度，但相应的磁特性却基本未发生改变；通过对比在氧及氮气氛下生长的铁掺杂氧化铟薄膜的特性，发现，随着提高制备过程中的氧或氮流量，相应磁性减弱，且由氮引起的铁磁性的下降更加明显。这是因为作为受主缺陷，氮相比于氧，会在更大程度上减少样品中的VO，从而使得铁磁性减弱。.同时，距离预期设想也存在一定的差距和不足：.一方面，尽管尝试了多种样品制备方法，由于氮掺杂入氧化铟晶格后，样品的自补偿效应很强，所以未能在氮掺杂氧化铟中获得稳定的p型导电；另一方面，在试图将n及p型纯氧化铟合成在一起作为p-n结时，由于导电类型对生长气氛较为敏感，上边一层的生长氛围不可避免的影响了已生长层的导电类型，因而预期中相应的p-n结部分的研究未能如期实现。.在今后的工作中，期望可以通过双受主掺杂的方式使得材料的p型导电特性进一步稳定，从而获得好的结果。