基本信息
- 项目名称：
- GaNMn中室温长程磁有序的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 对于GaN:Mn稀磁半导体，其磁性起源是目前研究的焦点。本文提出了一个针对稀磁半导体体系纳米尺度长程磁有序的表征手段。在替代Ga位的Mn原子的密度高达3.8%，用mocvd方法生长的薄膜上刻蚀人工微结构，然后使用AFM和MFM等实验观测和计算模拟的方法，最终证实了长程磁有序的存在，排除了纳米团簇导致室温铁磁性的可能性。非局域电子可能在这种长程磁有序中起到了关键的作用。
- 详细介绍：
- 稀磁半导体系统在自旋电子学方面具有很大的潜在应用价值，而GaN:Mn具有很高的居里温度，在各种稀磁半导体系统中具有其独特的优势。而GaN:Mn的磁性起源问题，至今仍未能够很好地解决。因此目前对于GaN:Mn的研究，主要集中在这一方面。掺杂的磁性原子阵列、铁磁性团簇、第二相、衬底、接触界面、以及其它外部沾污等都有可能导致GaN:Mn具有铁磁性。本文提出了一个针对稀磁半导体体系纳米尺度长程磁有序的表征手段。GaN:Mn薄膜是用金属有机化学气相沉积法（Mental Organic Chemical Vapor Depositon, MOCVD）生长的，膜中替代Ga位的Mn原子的密度高达3.8%。在薄膜上刻蚀人工微结构，并使用AFM和MFM等实验观测和计算模拟的方法，证实了GaN:Mn样品中存在着长程磁有序。而这一长程磁有序的存在，说明了样品中没有纳米团簇等可能导致室温铁磁性的因素。非局域电子可能在这种长程磁有序中起到了关键的作用。这一研究为进一步探索GaN:Mn的磁性起源有一定的帮助。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目前对于稀磁半导体的磁性起源众说纷纭。许多机制都有可能导致磁滞回线信号的产生，比如掺杂的磁性原子阵列、铁磁性团簇、第二相、衬底、接触界面、以及其它外部沾污等。在我们的研究中发现，GaN:Mn样品上刻蚀的人工微结构中存在长程磁有序。本文通过实验和理论分析，证明了这种长程磁有序的存在，并由此排除了团簇等可能造成GaN:Mn中磁性的原因。对研究稀磁半导体的磁性起源有一定的帮助。
科学性、先进性及独特之处
- 在前人研究的基础之上，原创性地提出了一种针对稀磁半导体系统磁性的研究手段，成功地证明了样品中长程磁有序的存在，为进一步的研究打下了基础。
应用价值和现实意义
- 本文从理论和实验上证明了我们GaN:Mn样品中室温长程磁有序的存在，排除了团簇在其中对磁性的贡献。这种在样品上刻蚀人工微结构，并对其磁力显微镜数据的分析方法可以适用于各种稀磁半导体和稀磁氧化物体系。因此，本文提出的方法不仅解决了GaN:Mn材料磁性起源研究中的一些问题，也能够为其他材料的研究提供帮助。
学术论文摘要
- 本文提出了一个针对稀磁半导体体系纳米尺度长程磁有序的表征手段，以此来研究其室温铁磁性的起源。文中的GaN:Mn薄膜是用金属有机化学气相沉积法（Mental Organic Chemical Vapor Depositon, MOCVD）生长的，膜中替代Ga位的Mn原子的密度高达3.8%。薄膜上存在着天然的位错坑，刻蚀了人工微结构，并且用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）和磁力显微镜（Magnetic Force Microscope, MFM）来表征这些表面的起伏情况。然后使用数值模拟来分析AFM和MFM的数据，最终证实了长程磁有序的存在，排除了纳米团簇导致室温铁磁性的可能性。我们认为非局域电子可能在这种长程磁有序中起到了关键作用。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- Accurate characterization of room-temperature long range magnetic order in GaN: Mn by magnetic force microscope ， 张宇昊等，中国科学:2011.1,卷54，期1，页15-18 Direct observation of room-temperature ferromagnetism of single-phase Ga0.962Mn0.038N by magnetic force microscopy ，陈志涛等， Journal of Applied Physics， 2010.11.1，卷108，期9，文献编号093913
同类课题研究水平概述
- 早在一个世纪以前，半导体就进入了人类的生活中。到目前为止，人们仍在以利用电子的电荷运动的自由度为主。电子自旋同样具有自由度。利用这一点，我们可以实现更高效率的信息处理和更高的节能度，从而带来巨大的经济效益。 上世纪90年代初期，出现了以GaN:As为代表的GaN基稀磁半导体。该材料在半导体自旋电子学中有着重要的应用。然而其的居里温度不足200K，远远达不到应用的需求。但随后GaN:Mn的出现改变了这一点。GaN:Mn具有超过室温的居里温度。并且近年来其制备技术日渐成熟。因此，GaN:Mn材料具有非常良好的应用前景。如果能够弄清楚其室温铁磁性的来源，必定能够帮助更好地掌握GaN:Mn材料的性质，从而使其投入应用更近一步。因此，近年来大量的研究集中与此。 目前对于GaN:Mn的铁磁性起源，还没有一个比较公认的结论。目前主要的观点有： 1、认为（Ga,Mn）N中的磁性原子均匀分布并且自然产生磁场。在较低的Mn离子浓度下，大部分的Mn离子（接近+2价）替代Ga位。同时一部分（1℅-36℅，由生长过程决定）形成Mn的小团簇。这些Mn离子均匀分布在（Ga,Mn）N中，产生铁磁性。 2、认为铁磁性来自于其中包含的Ga-Mn、Mn-N、Mn-Mn等团簇或其他未知相。 Sato根据第一性原理，通过KKR-CPA方法计算表明，由于指数衰减，(Ga,Mn)N中的由双交换作用主导的交换作用的范围非常的小。这样，根据计算的结果，在Mn浓度低的时候，GaMnN的高温铁磁性会非常的弱。而实验的结果是（Ga，Mn）N在高温下，铁磁性仍然很强。这可能可以由MnN团簇和分离的MnN二次相的形成来解释。 另外，研究表明，在（Ga,Mn）N系统中，Mn-Mn之间的分离对他们的磁性耦合有着关键的作用。如果Mn原子被放进GaN块材中，那么无论结构弛豫与否，Mn原子之间的耦合都是铁磁性的。相对的，在薄膜材料之中，结构弛豫之前Mn原子之间是铁磁性耦合，而在结构弛豫之后就转变成了反铁磁耦合。 3、认为铁磁性是GaN价带中的空穴和Mn离子之间的相互作用促成。研究发现，在（Ga，Mn）N中，Mn的电子轨道和N的电子电子的轨道有混合，这样便造成了与（Ga，Mn）As不一样的情况。这可能也是（Ga，Mn）N造成铁磁性的原因之一。
