高饱和磁化强度和高居里温度Ge基磁性半导体、异质结的制备及其磁性和电输运性质研究

Ferromagnetic semiconductors have received worldwide attention due to their potential applications in spintronics devices. Ge-based Ferromagnetic semiconductors have attracted considerable attention for their good compatibility with present Si-based processing technology and their potential application in high performance devices due to the higher carrier mobility than Si. On the basis of the previous studies on Ge-based ferromagnetic semiconductor, we plan to undertake the following tasks: 1. To obtain homogeneous Ge-based ferromagnetic semiconductor with high content of transition metal, and thus the high saturation magnetization and Curie temperature; 2. To reveal the magnetic origin of the Ge-based magnetic semiconductor by Microstructural characterization and Magneto-optical rotation spectroscopy; 3. To control the concentration of hole carries in Ge-based magnetic semiconductors through hydrogenation and little doping of non-magnetic metal. In this way we should reveal the influence of spin polarization carries on the magnetization, Curie temperature and electrical transport property. And furthermore we will investigate the electrical transport property of Ge-based ferromagnetic semiconductor on the metallic side of the metal-insulator transition; 4. Try to synthesize Ge-based ferromagnetic semiconductor heterojunction diodes whose rectification is more sensitive to magnetic and electric field at room temperature. Accordingly, we will prepare Ge-based ferromagnetic semiconductor field-effect transistors, and investigate the electrical transport properties of them. We believe that our project would promote the process of applying Ge-based ferromagnetic semiconductors and heterojunction diodes in spintronics devices.

磁性半导体材料在自旋电子学器件中应用前景广阔，得到了国内外科学界的广泛关注。Ge基磁性半导体因与传统Si半导体工艺兼容性好，并具有大的本征空穴迁移率而备受关注。我们计划在前期Ge基磁性半导体研究的基础上开展如下工作：1. 严格控制生长条件，得到过渡金属元素含量高的匀质Ge基磁性半导体材料，进而得到大的饱和磁化强度和较高的居里温度；2. 通过微结构表征和磁致旋光光谱等揭示Ge基磁性半导体的磁性起源；3. 通过氢化和少量非磁金属元素掺杂实现对Ge基磁性半导体载流子浓度的调控，揭示自旋极化空穴载流子浓度对磁化强度、居里温度和电输运机制的影响，研究Ge基磁性半导体在金属边导电区的电输运性质；4. 制备出室温整流特性对电场和磁场更加敏感的Ge基磁性半导体异质结，在此基础上制备Ge基磁性半导体场效应管，并研究其电输运性质。本课题将为Ge基磁性半导体应用于自旋电子学器件提供材料基础和器件支持。

近年来，自旋电子学蓬勃发展，磁性半导体作为自旋电流注入源，得到了广泛的关注和研究。依据《项目任务书》及年度工作计划，项目组利用磁控溅射技术制备了过渡金属元素含量高的IV族磁性半导体及其异质结，研究了其结构、磁性和电输运性质，同时系统研究了Heusler合金Co2MnSi薄膜的铁磁共振谱。.主要研究进展包括：.1. 控制衬底温度在20℃，使溅射过程处在非热平衡态，降低各元素原子的热力学能量，既提高过渡金属元素的含量，又避免铁磁金属第二相团簇的产生。同时旋转衬底，避免因靶位固定造成的元素分布不均，最终得到各元素分布相对均匀的非晶IV族磁性半导体薄膜及其异质结。.2. MnxGe1-x-H较MnxGe1-x具有更强的磁性、更高的电导，发现MnxGe1-x-H薄膜的矫顽力随温度从正到负，又到正的震荡变化，同样在矫顽力为负的温度发现了反转的霍尔效应。.3. 对(FeCo)xGe1-x和(FeCo)xGe1-x-H薄膜磁性、电导和铁磁共振谱的数据进行分析，静态磁性测量和动态磁性测量都表明氢的引入增强了薄膜中铁磁粒子之间的铁磁相互作用。.4. 研究了非晶MnxSi1-x薄膜的磁性和电输运性质，结果表明在整个测量温度范围内观察到的反常霍尔效应是由斜散射引起的，传导载流子的自旋轨道耦合较强。.5. 在MnO衬底上制备了Co2MnSi外延薄膜，并对其铁磁共振谱进行了系统的研究和分析。数据拟合得到较低的阻尼因子，这对提高自旋注入效率和降低自旋扭矩器件的能耗非常重要。.上述研究成果发表SCI收录论文5篇。在项目组成员的共同努力下，基本完成本项目的研究内容，达到预期研究目标。