樊濟(jì)宇 馮瑜 陸地 張衛(wèi)純 胡大治 楊玉娥 湯如俊 洪波 凌浪生 王彩霞 馬春蘭 朱巖?

1)(南京航空航天大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系,南京 210006)

2)(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘇州 215006)

3)(中國計(jì)量大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310018)

4)(中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心,合肥 230031)

5)(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,揚(yáng)州 225009)

6)(蘇州科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院,江蘇省微納熱流技術(shù)與能源應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘇州 215009)

1 引 言

近年來,以Ga1-xMnxAs為代表的磁性元素?fù)诫s的Ⅲ-Ⅴ族合金一直是磁電子學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[1-4],其主要原因是這種稀磁半導(dǎo)體材料在未來的納米電子學(xué)和磁存儲(chǔ)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,并且容易與目前以硅基材料為主的半導(dǎo)體器件集成[5,6].當(dāng)前,在磁電子學(xué)特別是自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域,通過自旋軌道相互作用和自旋扭矩效應(yīng),利用自旋極化電流可以有效驅(qū)動(dòng)磁疇壁的運(yùn)動(dòng),并且實(shí)現(xiàn)了磁疇的翻轉(zhuǎn)[7-9].另一方面,研究人員利用PMN-PT襯底產(chǎn)生電場來控制鐵磁鐵電雜化結(jié)構(gòu)中CoNiCo中的自旋軌道距,從而實(shí)現(xiàn)了在沒有外磁場的條件下對磁化反轉(zhuǎn)的控制[10].這些研究工作對自旋電子學(xué)的發(fā)展起著極大的促進(jìn)作用.除了Ⅲ-Ⅴ族GaAs和InAs外,Ⅳ-Ⅵ族合金(GeTe)最近也受到研究人員越來越多的關(guān)注[1-14].研究發(fā)現(xiàn),磁性元素?fù)诫s的GeTe最大的優(yōu)勢在于其體系中的載流子濃度和磁性離子濃度可以分別調(diào)控,這對稀磁半導(dǎo)體材料性能的有效控制是十分重要和有利的[15,16].

GeTe屬于一種窄帶的半導(dǎo)體材料,由于天然的Ge空位,其空穴濃度很高,可達(dá)到1020/cm3[17].目前,Fe,Mn,Co,Cr等不同磁性元素被廣泛地?fù)诫s其中從而形成磁半導(dǎo)體.研究發(fā)現(xiàn),磁性元素Mn摻雜的Ge1-xMnxTe中形成的鐵磁性是一種本征的鐵磁性,其形成機(jī)理是RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida)相互作用[18,19].同時(shí)研究結(jié)果顯示Mn摻雜濃度可以高達(dá)到55%,居里溫度達(dá)到190 K[20].在Fe摻雜Ge1-xFexTe中,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe含量為2%,居里溫度可達(dá)到160 K,并且高分辨透射電鏡顯示該體系中不出現(xiàn)第二相[21].磁性測量表明樣品樣品具有較強(qiáng)的鐵磁性,并證明其是由RKKY作用所形成的是一種長程鐵磁耦合作用.當(dāng)Fe含量繼續(xù)增大達(dá)到8%時(shí),低溫下呈現(xiàn)出自旋玻璃態(tài)的行為,輸運(yùn)特性顯示為金屬性[22].我們注意到,在以往報(bào)道的磁性離子摻雜的GeTe材料中,無論是何種磁性離子替代,所有的材料均為空穴型導(dǎo)電而不是電子導(dǎo)電.即只有P型GeTe基的稀磁半導(dǎo)體而沒有N型稀磁半導(dǎo)體.

為了擴(kuò)展GeTe基的稀磁半導(dǎo)體的功能性,制備出N型GeTe基的稀磁半導(dǎo)體顯得尤其重要.我們注意到,在GeTe合金中,Ge2+離子為二價(jià)態(tài).如果利用高于其價(jià)態(tài)的Bi3+(Bi5+)離子去替代部分Ge2+離子,體系中就引入了更多的電子,從而可以出現(xiàn)電子載流子.本文利用Bi元素部分地取代了Ge元素,同時(shí)摻入了4%的磁性元素Fe,借助于脈沖激光沉積方法制備了Ge0.96-xBixFe0.04Te薄膜.Hall效應(yīng)測量顯示,所有薄膜樣品均為N型導(dǎo)電模式,實(shí)現(xiàn)了載流子類型的轉(zhuǎn)變.同時(shí)通過磁性測量,發(fā)現(xiàn)在Bi摻雜量高的樣品中出現(xiàn)了明顯的鐵磁行為,而在中度Bi摻雜體系中沒有發(fā)現(xiàn)鐵磁行為.這一結(jié)果表明,Bi摻雜量的增加提高了載流子濃度,而載流子濃度的增加促進(jìn)了RKKY作用的傳遞,所以在高摻雜的N型Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te中產(chǎn)生鐵磁態(tài).

2 樣品的制備及測量

實(shí)驗(yàn)采用脈沖激光沉積技術(shù)在BaF2襯底上制備出外延的Ge0.96-xBixFe0.04Te薄膜,薄膜的厚度大約為400 nm.沉積中,真空度控制在2×10—4Pa以下,沉積溫度為360 ℃,脈沖激光為4 Hz,脈沖激光能量密度3.0 J/cm3.薄膜沉積結(jié)束后,在原位退火30 min,然后慢慢冷卻至室溫.

用X射線衍射儀(XRD,型號(hào)為Empyrean)分析薄膜的相結(jié)構(gòu)；用原子力顯微鏡(AFM,型號(hào)為MFP-3D-SA)分析薄膜的表面形貌.利用多靶磁控、離子束共濺射儀(型號(hào)為MS/IBS-3)在樣品表面上鍍鉑(Pt)電極,電極面積為2.5×10—3cm2；用綜合物性測試系統(tǒng)(PPMS,型號(hào)為PPMS-9)通過標(biāo)準(zhǔn)四引線法對薄膜進(jìn)行霍爾效應(yīng)測試和變溫電阻測試,通過向量空間模型(VSM)組件對薄膜進(jìn)行磁性測試.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 晶體結(jié)構(gòu)表征

實(shí)驗(yàn)中選用(111)方向的單晶BaF2作為襯底制備薄膜.BaF2晶體呈螢石結(jié)構(gòu),屬于立方晶系,其空間群為Fm3m.本項(xiàng)研究利用脈沖激光沉積法制備了三種不同組分的薄膜,分別是Ge0.8Bi0.2Te,Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te和Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te.對制備出的3種薄膜進(jìn)行了XRD的測量,均顯示為單晶薄膜.圖1(a)所示為Fe摻雜的Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜的XRD圖,其衍射峰可以很好地按照贗立方結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)注.除襯底BaF2的峰和Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te的峰,沒有發(fā)現(xiàn)任何雜峰,只出現(xiàn)唯一的單晶取向,表明生長出的薄膜是標(biāo)準(zhǔn)的單晶薄膜.為了驗(yàn)證薄膜是否為外延襯底生長,如圖1(b)所示,沿著{220}方向測量了面內(nèi)XRD掃描,襯底BaF2顯示出3個(gè)峰,彼此間隔120°,與其面內(nèi)的三重對稱性一致.而對于Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜,除了與BaF2相對應(yīng)的3個(gè)峰外,還出現(xiàn)新的3個(gè)峰,呈現(xiàn)彼此60°的間隔.這種情況表明Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜在生長過程中形成了欒晶.雖然形成了欒晶,但是沿著{220}的φ-掃描展現(xiàn)出的六個(gè)對稱峰說明了本研究中所生長出的薄膜具有較好的面內(nèi)對稱性；并且薄膜和襯底的衍射峰對應(yīng)得沒有絲毫偏差,暗示著薄膜在BaF2襯底上生長時(shí)未發(fā)生面內(nèi)旋轉(zhuǎn).以上結(jié)果表明,生長出的Ge0.96-xBixFe0.04Te薄膜是單晶的外延薄膜.

圖1 (a)Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜XRD掃描圖；(b)沿著{220}面內(nèi)XRD掃描圖Fig.1.(a)XRD diffraction pattern of Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te film；(b)φ-scans of Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te film in {220} plane.

3.2 表面形貌表征

除了晶體結(jié)構(gòu),薄膜的表面形貌也是影響薄膜性質(zhì)的一個(gè)重要因素.通常表面生長平整表明薄膜晶體顆粒結(jié)晶度高,顆粒尺寸均勻.圖2(a)是厚度為400 nm左右的Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜的AFM測試圖,掃描區(qū)間為5 μm×5 μm,可見薄膜表面顆粒生長致密,分布均勻且平整.沿著圖中紅線測量了表面的高度差,結(jié)果如圖2(b)所示,最大的表面高度差為6 nm.這一結(jié)果說明薄膜是十分平整的.

3.3 Hall效應(yīng)的研究

GeTe是一種P型半導(dǎo)體材料,為了實(shí)現(xiàn)磁性功能,在以前的研究工作中通常都是把鐵磁性元素?fù)饺肫渲?但是無論是何種元素,摻雜后均還是保持P型半導(dǎo)體材料的特征.為了實(shí)現(xiàn)N型半導(dǎo)體材料,我們設(shè)計(jì)了Bi元素部分替代Ge元素,由于Ge表現(xiàn)為 + 2價(jià)而Bi是為 + 3價(jià),所以Bi摻雜可以實(shí)現(xiàn)載流子由P型轉(zhuǎn)變成N型.為了檢驗(yàn)樣品中的載流子的類型是否為N型,對所制備的薄膜進(jìn)行了不同溫度下的Hall效應(yīng)的測量,最大施加的外磁場為4.0 T,溫度變化為300—120 K.圖3顯示的是我們不同摻雜Bi含量的兩種薄膜樣品測量結(jié)果.

圖2 (a)Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜表面AFM圖；(b)沿著紅線測試薄膜表面高度起伏結(jié)果Fig.2.(a)AFM 5 μm×5 μm images of Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te film；(b)the height profile along the red solid line.

從圖3中可以看到,兩種薄膜的Hall效應(yīng)測量曲線均呈現(xiàn)負(fù)斜率.當(dāng)溫度降低時(shí),曲線變化更陡峭.依據(jù)Hall效應(yīng)的理論公式,這種負(fù)斜率的出現(xiàn)很清楚地表明載流子是電子,為N型.利用測量結(jié)果,我們計(jì)算出兩種薄膜的載流子隨溫度變化的曲線,結(jié)果見插圖所示.兩種薄膜中載流子均隨溫度降低而減少,是一種典型半導(dǎo)體的特征.當(dāng)溫度降低時(shí),熱激活的的電子數(shù)量減少,載流子的數(shù)量自然隨著下降.對比Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te和Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜的載流子濃度,可以發(fā)現(xiàn)后者的載流子濃度基本比前者大2個(gè)數(shù)量級(jí).這一結(jié)果也說明了Bi摻雜增加可以顯著地提高N型載流子的數(shù)量.測量數(shù)據(jù)也正好印證了我們此次試驗(yàn)的設(shè)計(jì).

圖3 (a)Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜不同溫度下霍爾效應(yīng)測量結(jié)果,插圖為載流子濃度隨溫度變化；(b)Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜不同溫度下霍爾效應(yīng)測量結(jié)果,插圖為載流子濃度隨溫度變化Fig.3.(a)Magnetic field dependence of Hall voltage for Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te film under different temperatures,inset shows the temperature dependence of carrier concentrations；(b)magnetic field dependence of Hall voltage for Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te film under different temperatures,inset shows the temperature dependence of carrier concentrations.

3.4 變溫電阻和磁阻效應(yīng)的研究

GeTe是目前廣泛研究的相變存儲(chǔ)材料GeTe-Sb2Te3的重要組成單元.通過磁性離子的摻雜,可以將非磁性的GeTe半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成磁性半導(dǎo)體,在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.其中,材料的磁電輸運(yùn)行為是決定其性能的重要標(biāo)志.所以,在實(shí)現(xiàn)了N型載流子轉(zhuǎn)變后,我們研究了Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te和Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜的電子輸運(yùn)行為和外加磁場下的磁阻行為.

從圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn),隨著溫度從室溫300 K下降至10 K,兩條曲線中的電阻均上升,顯示為半導(dǎo)體的特征.其中,Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜的電阻比Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜的電阻大.從圖3中可知,Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜的載流子濃度比Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜中的要高出2個(gè)數(shù)量級(jí),因此觀測到相對小的電阻是一個(gè)必然的結(jié)果.

根據(jù)電導(dǎo)率和載流子濃度以及遷移率的關(guān)系：σ=neμ(σ為電導(dǎo)率,n為載流子濃度,μ為遷移率,e為電子電量),可以得到如圖4(b)所示的遷移率隨溫度的變化.很明顯,隨著溫度下降,遷移率呈現(xiàn)上升的趨勢.在半導(dǎo)體材料中,電輸運(yùn)的行為主要由電子-聲子相互作用決定.當(dāng)溫度降低時(shí),由于晶格振動(dòng)變緩,其激發(fā)出的聲子數(shù)也相應(yīng)減少,從而對電子的散射也減弱,所以遷移率上升.對比兩條曲線的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在相同的溫度下,Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜的遷移率比Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜大,這就暗示著除了電子-聲子相互作用外,Bi摻雜也提供了額外的散射中心,Bi摻雜量越大,散射越多,所以高摻雜的Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜的遷移率反而小.

為了研究外磁場對電輸運(yùn)的影響,我們對以上兩個(gè)薄膜樣品進(jìn)行了外加3.0 T磁場下的變溫電阻測量.在以往報(bào)道的空穴摻雜GeTe基稀磁半導(dǎo)體材料中,該體系的易磁化方向是沿著垂直薄膜平面方向,所以本次實(shí)驗(yàn)中,我們采用沿著垂直薄膜平面方向施加外磁場,從而能夠獲得更加顯著的磁阻效應(yīng).結(jié)果如圖4(c)和圖4(d)所示.對于Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜,我們發(fā)現(xiàn)施加磁場下的電阻率曲線和未施加磁場的電阻率曲線沒有明顯改變,表明在這一薄膜中,外加磁場不能引起電子輸運(yùn)的改變,同時(shí)也暗示著在這一體系中,內(nèi)部磁性對外部磁場沒有明顯的響應(yīng),薄膜內(nèi)部的磁性沒有形成穩(wěn)定的磁耦合作用,從而不會(huì)影響電子的輸運(yùn)行為.相反,在圖4(d)中,發(fā)現(xiàn)施加和未施加磁性的電阻率曲線有一定的分離,表明Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜對外加磁場具有響應(yīng),暗示著該薄膜形成了磁耦合作用.當(dāng)外加磁場時(shí),這種磁耦合作用發(fā)生變化,從而影響電子的輸運(yùn),使得加磁場和未加磁場電阻率曲線發(fā)生分離.

圖4 (a)Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te和Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te電阻率隨溫度變化曲線；(b)遷移率隨溫度變化曲線；(c)Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜在零磁場和3.0 T磁場下變溫電阻率曲線；(d)Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜在零磁場和3.0 T磁場下變溫電阻率曲線Fig.4.(a)Temperature dependent resistivity of Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te and Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te film；(b)temperature dependent resistivity of mobility；(c)temperature dependent resistivity of Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te film under 0 T and 3.0 T field；(d)emperature dependent resistivity of Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te film under 0 T and 3.0 T field.

3.5 磁性的研究

為了驗(yàn)證Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜中Fe元素之間是否形成了磁耦合相互作用,首先測量了該薄膜樣品的磁化率隨溫度的變化曲線,溫度變化區(qū)間為10—300 K,測量結(jié)果如圖5所示.從圖5可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：1)薄膜的磁化率??；2)沒有觀測到劇烈的順磁鐵磁轉(zhuǎn)變.將低溫和高溫區(qū)磁化率曲線進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn)(如圖中兩個(gè)帶箭頭的線段),磁化率在250 K附近發(fā)生了明顯改變.這說明從253 K(兩個(gè)帶箭頭線段交叉點(diǎn)對應(yīng)的溫度)開始,薄膜中的磁性發(fā)生了變化.通常而言,對于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的順磁鐵磁相變體系,確定居里點(diǎn)的常規(guī)方法是通過對磁化率隨溫度的變化曲線進(jìn)行求導(dǎo),最小值所對應(yīng)的溫度就是相變點(diǎn)的溫度[23].然而對圖5中的曲線求導(dǎo)后,我們沒有得到最小值.事實(shí)上,目前圖5中未出現(xiàn)劇烈相變而呈一個(gè)緩慢變化的行為是上述求導(dǎo)的必然結(jié)果.

圖5 Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜磁化率隨溫度變化曲線；插圖為磁化率倒數(shù)隨溫度變化曲線,直線是利用居里外斯定律擬合的結(jié)果Fig.5.Temperature dependence of magnetic susceptibility curves for Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te film；inset shows temperature dependence of inverse magnetic susceptibility and the solid line is the fitting result with the Cuire-Weiss law.

我們知道,當(dāng)通過求導(dǎo)不能得到居里點(diǎn)時(shí),往往還會(huì)利用居里-外斯定律擬合磁化率倒數(shù)隨溫度變化曲線,得到居里-外斯溫度TCW[24].為此,我們將圖5中的磁化率變成倒數(shù)后,利用這一定律對高溫區(qū)的變化曲線進(jìn)行了擬合,結(jié)果如插圖中的直線所示.推導(dǎo)出的居里-外斯溫度TCW為102 K,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前面相變起始點(diǎn)溫度T0= 253 K.但是聯(lián)系到圖4(d)中的磁阻變化,我們發(fā)現(xiàn),圖4(d)中在施加外磁場和未施加外磁場的情況下,電阻曲線發(fā)生分離的溫區(qū)大約是從100 K到260 K,完全對應(yīng)于我們從磁化率曲線上得到的102 K到253 K的溫度變化區(qū)間.這一結(jié)果不僅表明我們所探測到的電和磁性質(zhì)的可靠性,而且也暗示著雖然我們未能從磁化率曲線上觀察到明顯的相變過程,但是可以推斷出從102 K到253 K的溫區(qū)是一個(gè)很寬的順磁到鐵磁轉(zhuǎn)變區(qū).因?yàn)楫?dāng)前我們所研究的是一個(gè)稀磁半導(dǎo)體材料,磁性元素Fe的摻雜量僅為4%,所以不大可能在一個(gè)很小的溫區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大范圍的劇烈相變,這也就是圖5中磁化率曲線隨溫度變化呈現(xiàn)一個(gè)緩慢上升的主要原因.

為了進(jìn)一步判斷Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜在100 K以下是否存在完全的鐵磁性,我們在低溫10 K下測量了該薄膜的絕熱磁化曲線,外加磁場從 +5 T掃場到 -5 T,結(jié)果如圖6所示.在外加磁場從0 T變化到1.0 T,磁化強(qiáng)度迅速增大,顯示出明顯的鐵磁特征；當(dāng)外加磁場繼續(xù)增長時(shí),磁化強(qiáng)度基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢,直到最大外加磁場為5.0 T時(shí),也未達(dá)到飽和,表現(xiàn)為一個(gè)順磁性的變化.此外,也測量了Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜磁滯回線,但是只能測量到一些無規(guī)的噪聲信號(hào),沒有發(fā)現(xiàn)磁有序現(xiàn)象,故未顯示在圖6中.插圖顯示的是放大的低磁場下的磁滯回線,從中可以看到明顯的磁滯現(xiàn)象,矯頑場大約為μ0H= 200 Oe.

圖6 在10.0 K溫度下Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜磁滯回線；插圖為低磁場部分放大圖像Fig.6.Isothermal magnetization curves for Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te film at 10.0 K,and inset shows the magnified hysteresis loop.

從測量結(jié)果可以看出,Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜中Fe-Fe之間形成了鐵磁耦合作用.和未發(fā)現(xiàn)鐵磁作用的Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜相比,我們還發(fā)現(xiàn),Bi元素?fù)诫s量的提高是導(dǎo)致鐵磁作用形成的關(guān)鍵.因?yàn)楫?dāng)Bi元素?fù)诫s量提高后,薄膜中的載流子濃度得到提高(見圖3).對于大多數(shù)稀磁半導(dǎo)體材料而言,由于磁性摻雜量通常是十分小的,所以磁性元素一般是分散在材料中,這樣的分布導(dǎo)致磁性元素之間不可能通過直接的交換作用形成磁耦合作用.當(dāng)Bi元素?fù)诫s后,引入了載流子,使得這些分散的磁性元素之間通過載流子的傳遞RKKY相互作用,產(chǎn)生磁有序態(tài),使得整體在一定溫度下顯示出鐵磁行為.在目前的兩個(gè)薄膜中,由于Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te薄膜的載流子濃度小于Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜中的載流子濃度,因此Ge0.76Bi0.2Fe0.04Te中的Fe-Fe之間形成磁耦合相互作用較弱,實(shí)驗(yàn)中未觀測到鐵磁性.相反,Ge0.64Bi0.32Fe0.04Te薄膜就是利用Bi摻雜量的提高,增加電子載流子濃度,增強(qiáng)了RKKY相互作用,在Fe-Fe之間形成較強(qiáng)的磁耦合作用,進(jìn)而在4%的Fe含量薄膜中觀測到了鐵磁有序態(tài).

這里,有一點(diǎn)是值得深思：無論是圖6中的絕熱磁強(qiáng)度還是圖5中的磁化率,我們所測量到的結(jié)果都明顯地小于參考文獻(xiàn)[21]中所報(bào)道的磁性數(shù)據(jù).其磁性元素Fe摻雜量僅為2%；而我們將Fe摻雜量提高了一倍為4%.這說明單純地提高磁性摻雜量不能有效地增強(qiáng)鐵磁性.根據(jù)在高摻雜Bi和低摻雜Bi體系中所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們推斷進(jìn)一步提高Bi的摻雜量實(shí)現(xiàn)載流子濃度增加可能是改善鐵磁性的途徑之一.然而過多地增加大Bi摻雜量的同時(shí)也有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的改變和雜相的出現(xiàn),這反過來又會(huì)壓制鐵磁性,所以探索出最佳的Bi摻雜濃度從而得到具有較大鐵磁性的GeTe基稀磁半導(dǎo)體將是該體系未來研究的主要內(nèi)容.

4 結(jié) 論

利用脈沖激光沉積技術(shù)在單晶BaF2襯底上制備了Bi摻雜的Ge0.96-xBixFe0.04Te稀磁半導(dǎo)體薄膜.XRD測量結(jié)果表明所制備的薄膜均為外延生長的單晶薄膜.變溫Hall電阻測量證明,從室溫到低溫,載流子輸運(yùn)曲線皆呈現(xiàn)負(fù)斜率,表明載流子是電子.當(dāng)溫度從10 K變化到300 K,輸運(yùn)行為始終顯示半導(dǎo)體性質(zhì)；磁輸運(yùn)性質(zhì)測量的結(jié)果顯示,只有在Bi摻雜濃度高達(dá)32%的薄膜中才存在一定的磁阻變化.通過低溫的絕熱磁化曲線測量證明,該薄膜中具有明顯的鐵磁性,并且其磁滯回線中存在一般鐵磁性材料所具有的矯頑力.相反,在Bi摻雜濃度相對低的薄膜中,卻沒有鐵磁性.本文的研究結(jié)果說明,在這種N型稀磁半導(dǎo)體中,鐵磁耦合作用產(chǎn)生的機(jī)理屬于典型的長程RKKY相互作用,電子載流子的傳輸作用促進(jìn)了鐵磁性的形成.

感謝楊浩教授和闞彩俠教授在薄膜制備方法上所給予的寶貴建議,并幫助我們得到了高質(zhì)量的BaF2襯底和新的靶材.