高含量过渡金属元素的非晶Ge基磁性半导体的微结构、磁性和输运研究

在众多磁性半导体材料中，Ge基磁性半导体因与当前的半导体工艺兼容性好而成为备受关注的新型自旋电子材料。我们计划在前期Ge基磁性半导体研究的基础上，（1）制备出比GeMn和GeFe磁性半导体磁化强度大、居里温度高的Ge(Mn，H)和Ge(Fe,H)磁性半导体；（2）证实本来应该反铁磁耦合的两个最近邻Mn（或Fe）原子，会通过间隙H原子发生铁磁交换作用，从而提高磁化强度和居里温度；（3）利用同步辐射x射线光谱，从微结构和光谱两方面揭示Ge基磁性半导体的铁磁性起源；（4）实现对Ge基磁性半导体中自旋极化载流子浓度的调控，阐明Ge基磁性半导体在金属边导电区域的磁电阻和霍尔效应的机理，力争发现大的磁电阻或霍尔效应；（5）进一步认识样品微结构、铁磁性、自旋极化电荷的输运三者之间的密切关联。本课题将为新型Ge基磁性半导体和器件的研发提供材料基础和理论依据

Ge基磁性半导体因与当前的半导体工艺兼容性好成为备受关注的新型自旋电子材料。我们采用低温磁控溅射的方法解决了过渡金属元素在Ge中固溶度低的问题，成功制备了高过渡元素（Mn、Fe等）含量的Si、Ge基磁性半导体薄膜，并系统研究了其输运和磁性，特别是氢化对磁、电性能的影响。（1）MnGe和MnGe：H磁性半导体性能研究。研究发现氢化样品MnGe：H比MnGe有更高的空穴载流子浓度、电导率和饱和磁化强度。另外，MnGe：H的矫顽力随温度升高表现出由正变负再变正的震荡现象，而在非氢化的MnGe中并未发现这种震荡。研究表明这种矫顽力的正负震荡源自近邻的包含一个或几个富氢团簇的铁磁区域之间铁磁耦合和反铁磁耦合的竞争。（2）MnSi非晶合金薄膜的结构、磁性和电输运特性。MnSi非晶合金薄膜的磁性随着Mn含量的增加有先增加后下降的趋势，当Mn含量为48%时达到最大值。在Mn0.48Si0.52非晶合金薄膜中发现反常霍尔效应，而且反常霍尔效应在180K附近出现变号。MnSi非晶合金薄膜中反常霍尔效应随着温度变化出现变号的现象未见报道。为解释变号机理，我们分别在本征、p型、n型Si和玻璃衬底上制备了不同Mn含量的MnSi非晶薄膜。实验表明：p型和玻璃衬底上制备的MnSi非晶薄膜的反常霍尔效应随温度变化未出现变号，而本征和n型衬底上制备的MnSi非晶薄膜的反常霍尔效应随温度变化出现变号。基于目前的实验结果，我们认为该体系中反常霍尔效应变号源自薄膜和衬底界面的Rashiba自旋轨道耦合作用。（3）多元过渡元素共掺杂Ge基磁性半导体研究。制备了不同FeCo含量的 (FeCo)xGe1-x非晶合金薄膜，希望通过Fe、Co两种元素共掺杂获得高居里温度的Ge基磁性半导体。研究发现随着FeCo浓度的增加，(FeCo)xGe1-x的磁性增强。当FeCo含量为70%时(FeCo)0.7Ge0.3具有室温铁磁性和反常霍尔效应，并且反常霍尔电阻率正比于磁化强度，表明体系的载流子是自旋极化的。进一步制备了(FeCo)0.70Ge0.30-H氢化膜，研究发现氢化增强了体系的交换相互作用，使得室温下(FeCo)0.70Ge0.30-H 的饱和磁化强度比(FeCo)0.70Ge0.30 提高了170%。