姚育鵬 唐曙鋒 潘媛媛 鄭雙羽 李培澤 王舒凱 蔡夢婷 牛逸瀟 吳海飛

(紹興文理學院 數理信息學院，浙江 紹興 312000)

0 引言

磁性材料可在無磁場條件下實現對非磁性半導體的自旋注入，實現電子學、光子學和磁學三者的最終融合，從而提升現有器件的功能，近年來，磁性金屬/半導體異質結成為研究的熱點，相關報道層出不窮[1-3].如在Ni/GaAs(110)、Fe/GaAs、Fe/ZnSe、Co/GaAs(110)等異質結中均成功實現了室溫下磁性金屬向半導體材料的自旋注入[4-9]，其中在Fe/AlGaAs/GaAs結構中，Fe

向AlGaAs接觸層的自旋極化電子注入率高達30%～40%[9].從相關報道中可以發(fā)現，目前對磁性金屬/半導體異質結的研究大都集中于II-VI族、III-V族半導體，對于IV-VI族半導體較少涉及.與II-VI族、III-V族半導體相比，IV-VI族半導體具有更窄的帶隙寬度(室溫下一般為0.2～0.3 eV)、低的熱導率，價帶頂和導帶底均位于布里淵區(qū)的L點，帶隙具有負壓系數和正溫度系數，價帶頂中重空穴帶消失使俄歇復合率大幅度降低[10-14]，這些不同于II-VI族、III-V族半導體的物理性質，可使磁性金屬在IV-VI族半導體中產生獨特的自旋注入特性.研究結果表明,磁性金屬/半導體異質結的界面結構、界面間相互作用等界面特性將直接影響電子自旋的注入效率，如磁性金屬與半導體的接觸界面形成隧道結則可以極大地提高自旋的注入效率[3]，而異質結間的相互反應則可阻礙電子自旋的注入，如在Fe/GaAs(001)中，金屬Fe與GaAs中As發(fā)生了反應形成了FeAs化合物，導致在Fe/GaAs界面處形成了一個“死磁層”(magnetically dead layers)[15].

為此，本文利用分子束外延技術在BaF2(111)基底上制備了典型IV-VI族半導體PbTe薄膜，并利用X射線光電子能譜(XPS)技術系統研究了磁性金屬Co在PbTe薄膜上的相互作用機理.

1 實驗細節(jié)

PbTe薄膜的制備以及Co金屬在PbTe薄膜表面的外延生長均是在固體源分子束外延超高真空系統中完成的，該系統分為進樣室和外延室，兩室的本底真空分別為1.2×10-7Pa和4×10-5Pa.生長室中配備了Te、PbTe和Co固體源,純度均為99.999 9%.PbTe薄膜制備的基底選用新鮮解離的BaF2(111)，生長前，BaF2(111)基底先在進樣室進行除水汽處理，之后轉移到生長室，將BaF2(111)基底加熱到550 ℃保持約10 min，以進一步去除附著在BaF2(111)基底表面的由C、H、O等構成的雜質，基底表面的清潔程度通過反射高能電子衍射(RHEED)進行原位監(jiān)測.由于Te的飽和蒸氣壓較高，在生長過程中容易發(fā)生再蒸發(fā)現象，因此，制備PbTe薄膜時需同時開啟Te束源爐以平衡PbTe薄膜中Pb與Te的化學計量比.PbTe薄膜生長時的基底溫度為250 ℃，生長速率約為1 μm/h，厚度約為1 μm.薄膜厚度由石英晶振測厚儀原位檢測，并經臺階儀測量標定.PbTe薄膜制備完成后，等待基底溫度降到室溫后，開始沉積磁性金屬Co，沉積過程中Co束源爐的溫度控制為900 ℃，沉積速率約為0.20 ML/min，通過控制Co的沉積時間，我們制備了具有不同Co厚度的Co/PbTe異質結.利用X光電子能譜(XPS)技術,對不同Co沉積厚度下的Co/PbTe樣品進行了界面成鍵特性的測試，XPS使用的是Mg的Kα(1 253.6 eV).

2 實驗結果與分析

圖1(a)、(b)和(c)分別給出了不同Co沉積厚度下Co/PbTe樣品Te 3d、Pb 4f和Co 2p芯態(tài)的XPS能譜圖，選取的結合能范圍使我們能夠看到Te 3d、Pb 4f和Co 2p芯態(tài)的自旋-軌道分裂峰.為作比較，圖中最底部給出了未沉積Co的PbTe薄膜的XPS能譜圖，從下往上Co沉積厚度由0.00 ML增加到5.00 ML.由圖1(a)和(b)可知PbTe薄膜中Te 3d5/2和Pb 4f7/2的結合能分別為572.3 eV 和137.6 eV，與其他文獻中報道的PbTe化合物相對應的Te 3d5/2和Pb 4f7/2的結合能基本吻合(見表1)[16-17]，表明薄膜制備過程中并未引入如碳、 氧等雜質元素. 由于在BaF2(111)基底外延制備的PbTe薄膜為(111)取向[18]，而PbTe具有NaCl型面心立方結構，其(111)晶面由Pb層和Te層交替堆疊而成， 為判斷制備的PbTe薄膜是Pb 還是Te為截止面，對PbTe薄膜中Te 3d5/2和Pb 4f7/2芯態(tài)峰的面積進行測量，得到兩者的比值為ITe3d5/2/IPb4f7/2≈1.02,由于元素芯態(tài)峰的面積主要取決于元素芯態(tài)的光電離截面及元素離最表面的距離，光電離截面越大、元素越靠近最表面則元素芯態(tài)峰的面積越大[19-21]，對于能量為1253.6 eV的入射光源，Te 3d5/2和Pb 4f7/2芯態(tài)的光電離截面分別為0.42 Mb和0.32 Mb[22]，其比值約為1.31，大于兩者的譜峰面積比，因此Pb元素應該位于PbTe薄膜的最表面，才能使Te 3d5/2和Pb 4f7/2芯態(tài)峰的面積比接近于1.02.當PbTe薄膜表面Co的沉積厚度θ≤0.35 ML時，圖1(c)中并未探測到Co 2p的芯態(tài)峰，與未沉積Co時相比，除了Te 3d的芯態(tài)峰向高結合能端發(fā)生了0.2 eV的偏移， Pb 4f芯態(tài)峰的位置并未改變,見圖1(a)和圖1(b).當Co的沉積厚度達到0.55 ML時，在位于778.5 eV 和793.9 eV 的結合能處分別出現了Co 2p3/2和2p1/2的芯態(tài)峰，此時，Te 3d和Pb 4f芯態(tài)峰的強度均發(fā)生了明顯的衰減，當繼續(xù)增加Co沉積厚度時，Co 2p芯態(tài)峰強度呈現緩慢增加趨勢，且峰位向低結合能端發(fā)生偏移，當θ=5.00 ML時，Co 2p3/2芯態(tài)峰的峰位位于778.5 eV，與金屬Co的峰位相接近(見表1).

圖1 不同Co沉積厚度下Co/PbTe樣品(a)Te 3d、(b)Pb 4f和(c)Co 2p芯態(tài)的XPS能譜圖

表1 Pb 4f和Te 3d幾個重要的化合狀態(tài)的芯態(tài)結合能

為進一步揭示Co/PbTe界面的形成過程，對Te 3d5/2、Pb 4f7/2和Co 2p3/2芯態(tài)譜峰強度隨Co沉積厚度的演變進行仔細分析，其結果如圖2所示.圖2中對于Te 3d5/2和Pb 4f7/2， 將未沉積Co

圖2 Te 3d5/2、Pb 4f7/2 和Co 2p3/2芯態(tài)譜峰強度隨Co沉積厚度的演化曲線

時的芯態(tài)譜峰強度記作I(0), 沉積金屬Co后的譜峰強度記作I(Θ)，對于Co 2p3/2，將Co的沉積厚度θ=0.55 ML時的譜峰強度記作I(0), θ>0.55 ML時的譜峰強度記作I(Θ)，把ln(I(Θ)/I(0))作為縱坐標，Co沉積厚度作為橫坐標.從圖2中可以發(fā)現，當Co的沉積厚度θ≤0.35 ML時，Te 3d5/2、Pb 4f7/2的譜峰強度幾乎沒有發(fā)生變化，而Co 2p3/2的譜峰強度始終為零，這表明在Co沉積的初期，沉積的金屬Co原子很可能擴散進入了PbTe薄膜內部，導致即使Co的沉積厚度θ達到了0.35 ML，XPS測試中仍未探測到Co的信號峰.Co原子能向PbTe薄膜內部進行擴散，跟Te、Pb、Co三種元素的原子半徑及電負性差異有關，三者的原子半徑依次為1.35 ?、1.75 ?和1.25 ?，可見三者中Co的原子半徑最小，只有Pb原子半徑的0.71；在電負性上，Te的電負性最大為2.10，而Pb和Co的電負性非常接近，分別為1.87和1.88.因此，當Co沉積在以Pb為截止面的PbTe薄膜表面時，在第二層具有較強電負性的Te2-的作用下，Co原子會輕易地從比它大得多的最表面Pb2+原子間穿過，與位于第二層的Te2-成鍵[23]，甚至進一步穿透第二層的Te2-到達更內層的位置. 由圖1可知在Co原子沉積的初始階段，Te 3d芯態(tài)峰持續(xù)向高結合能端發(fā)生偏移，Co的沉積厚度θ=0.35 ML時，Te 3d5/2向高結合能端的偏移量達到了0.2 eV，但Pb 4f峰并沒有發(fā)生任何偏移，表明Co原子向PbTe薄膜內部擴散時并沒有取代晶格中Pb的位置，而是在間隙位與Te2-成鍵，在表面形成PbCoTe合金，由于Co的電負性略大于Pb，因此，相比于純PbTe，PbCoTe合金中Te將表現為失去電子，致使Te 3d5/2向高結合能端發(fā)生偏移.當Co的沉積厚度增加到0.55 ML時，Co 2p信號峰開始出現，Te 3d5/2、Pb 4f7/2信號峰強度出現明顯下降，表明Co在PbTe表面向內部的擴散是有限度的，當Co的沉積厚度增加到0.55 ML時，Co在PbTe表面向內部的擴散已達到飽和，過量的Co原子在PbTe表面開始成核生長，當繼續(xù)增加Co的沉積厚度時，發(fā)現Co 2p3/2的信號峰強度呈現緩慢增長，其峰強向低結合能端發(fā)生偏移，而Te 3d和Pb 4f信號峰強度呈現緩慢下降，當Co的沉積厚度達5.00 ML時，Co 2p3/2的峰位向低結合能端偏移了0.4 eV, 與金屬Co的特征峰相接近(見表1)[24].Te 3d5/2、Pb 4f7/2和Co 2p3/2芯態(tài)譜峰的演化過程表明當Co沉積厚度θ>0.35 ML時，Co原子開始在PbTe(111)薄膜表面以金屬Co團簇的方式成核生長，圖3給出了Co在PbTe(111)薄膜表面生長的結構示意圖.

圖3 Co在PbTe(111)薄膜表面生長的結構示意圖

3 結論

本文首先利用分子束外延技術在新鮮解離的BaF2(111)表面制備了高質量的以Pb為截止面的PbTe(111)薄膜，在此基礎上，進行磁性金屬Co的沉積，XPS結果顯示當Co沉積厚度θ≤0.35ML時，并未探測到Co的信號峰，除了Te 3d峰位向高結合能端發(fā)生偏移，Te 3d和Pb 4f信號峰強度幾乎沒有改變，表明在Co沉積的初始階段，Co原子向PbTe(111)薄膜內部發(fā)生了擴散，以間隙位的方式形成了PbCoTe合金；當Co沉積厚度θ>0.35 ML時，Co的信號峰開始出現，隨著Co沉積量的增加Co的信號峰強度呈現緩慢增加，其峰強向低結合能端發(fā)生偏移，而Te 3d和Pb 4f信號峰強度呈現緩慢下降，表明當Co沉積厚度θ>0.35 ML時，Co原子開始在PbTe(111)薄膜表面以金屬Co團簇的方式成核生長.