Co或Mn掺杂ZnO薄膜的结构与磁性之间关系

【作者】 李强； 王玉银； 樊乐乐； 樊少娟； 刘建党； 叶邦角；

【机构】 核探测与核电子学国家重点实验室,中国科学技术大学近代物理系； 同步辐射国家实验室,中国科学技术大学；

【摘要】 宽禁带半导体ZnO具有较高的过渡金属离子固溶度和自旋注入效率使其成为自旋电子学领域的热门材料。最具潜在应用价值的Co或Mn掺杂ZnO体系由于磁性测量结果的多样性导致机理阐述不清,阻碍了其在自旋电子学器件中的应用和发展,因此有必要从微观结构角度进一步分析其磁性起源机制。实验采用脉冲激光沉积法(PLD)在蓝宝石衬底上制备Co或Mn掺杂的ZnO薄膜,并在全同生长条件下制备纯ZnO薄膜用于对比分析和N离子注入实验。实验以正电子湮没技术结合其它结构分析手段来研究样品磁性表现与掺杂离子的关系,并且分析样品缺陷变化对离子之间磁相互作用的影响。我们在Co掺杂ZnO的样品中观察到室温铁磁性和超顺磁性共存的状态,认为室温铁磁性来源于Vo调节Co-Co离子之间磁相互作用,超顺磁性则与铁磁性分布不均匀有关。Mn掺杂的ZnO样品中仅有居里温度小于50K的低温铁磁性存在,这一结果与理论计算Mn-O-Mn自旋间接交换作用相符合。慢束分析发现N离子注入纯ZnO薄膜的实验表明VZn可以在样品中引入缺陷磁性,而中性的Vo却与d0磁性起源无关。更多还原