文摘
我们报告一个不寻常的负磁滞回线的观察氧化锌薄膜codoped钴和铝(Co-Al:氧化锌),而其他transition-metal-doped氧化锌薄膜,如Cu-doped氧化锌和Mn-doped氧化锌,表现出正常的磁滞回路。不同寻常的磁行为归因于双磁层的存在与不同的磁矩由于改变整个膜层的结构缺陷。正电子湮没测量证实存在独特的微观结构的变化Co-Al:氧化锌薄膜。这项研究表明,在稀磁半导体缺陷可能诱发小说不仅铁磁性磁行为。
1。介绍
增加潜在的铁磁材料为自旋传输电子的推动者和应用程序导致大幅增长transition-metal-doped稀释磁性半导体(DMS)的研究(1- - - - - -3]。氧化物半导体掺杂过渡金属的小百分比显示巨大的希望在自旋电子应用程序通过展示室温铁磁性(FM) [4- - - - - -6]。达艾韬等人最初预测调频高居里温度()通过当地的自旋密度近似(p型Mn-doped氧化锌7,8)由佐藤和Katayama-Yoshida预测模拟调频在V - Cr - Fe - Co -,和Ni-doped氧化锌,但建议锰掺杂本身可能不足以诱导调频(9),一个猜想,已经被当地的自旋密度近似(支持10),混合密度泛函B3LYP方法(11[],梯度修正功能密度理论12]。实验研究在FM DMS往往不能复制的和矛盾的13,14],在DMS调频的模棱两可的特性被过渡金属的存在可能沉淀或集群,进一步复杂化磁依赖生长条件和postgrowth治疗(15- - - - - -19];这不过显示很强的相关性之间的内在缺陷和铁磁性,这一概念是由铁磁性的观察无掺杂氧化锌(20.,21]。由于铁磁性起源的可疑的东西,数量很少的解释提出了解释调频中介和磁矩起源、复杂的叙事磁现象。
在这封信中,我们报告一个不寻常的负磁滞回线的测量aluminum-cobalt-doped氧化锌薄膜。不寻常的磁行为如扭转滞后只有在极少数情况下,观察到关注GaAs-Fe等材料混合结构(22纳米系统[]兼首席运营官23];但是,我们没有意识到任何改变或负磁滞在氧化锌。我们认为这样不寻常的磁性起源的行为在当前的研究中膜层具有不同的磁矩的存在导致净反铁磁性的行为。我们当前TM-doped氧化锌薄膜的磁性的研究还揭示了正常调频Mn -和Cu-doped氧化锌;然而,随着铜不是磁性离子,它不能提供铜的磁矩:氧化锌薄膜。这种强调缺陷产生的重要作用和调节调频氧化锌薄膜。因此,我们进行正电子湮没谱(PAS)测量给洞察这些影片中存在的内在缺陷。测量显示相邻层的存在不同的缺陷结构Co-Al-doped氧化锌薄膜可能导致不同的磁矩触发这种不同寻常的磁行为。
2。实验的细节
有限公司、锰、铜和Al-Co-doped氧化锌薄膜是通过溶胶-凝胶方法合成石英和蓝宝石基板。醋酸锌二水合物的主要前体,2-methoxyethanol和乙醇胺被用作溶剂和稳定剂,分别。四水合醋酸钴、硝酸铝、锰四水醋酸、醋酸和铜被用来提供搀杂剂可以在有限公司:氧化锌,Al-Co:氧化锌,Mn:氧化锌,和铜:氧化锌。解决方案的恒温加热,使60°C冷却至室温,然后放置在清洁、蚀刻石英和蓝宝石基板使用旋转涂布方法。然后他们被放置在一个烤箱在120°C 10分钟蒸发溶剂。每个样本的过程重复16次获得所需的厚度。电影然后在空气中退火在500或700°C形成氧化锌结构。更多细节关于氧化锌薄膜的溶胶-凝胶法合成的方法及其结构特征可以发现在24]。
使用超导量子干涉器件(鱿鱼)铁磁行为。内格罗蓬特:3%氧化锌和2%艾尔:3%股份有限公司:氧化锌在石英基片和1%铜:氧化锌在蓝宝石衬底被记录。多普勒展宽的不是执行测量使用单色的正电子束流在0.2 keV 30 keV范围在正电子设备Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)在德累斯顿,德国。511 keV湮没峰值为每个光束能量使用高纯锗探测器记录,和S和W缺陷参数(25]从毁灭获得峰值。Al-Co的结构和光学特性:氧化锌样品,x射线衍射(XRD)和紫外光谱(紫外)测量在室温下进行。
3所示。结果和讨论
出平面磁测量由于垂直磁场。内格罗蓬特:氧化锌和Al-Co:氧化锌数据所示1和2分别在图3显示平面磁测量铜:氧化锌26]。没有观察到铁磁行为在1%或5%股份有限公司:氧化锌薄膜。在所有情况下,基板的抗磁性行为占了。磁滞回路的数字1和3Mn表明铁磁性的存在:氧化锌和铜:氧化锌薄膜。尽管调频预测和观察实验。内格罗蓬特:氧化锌,不和报道中存在的理由(25,26]。同样,在铜铁磁性的起源:氧化锌仍然不明,铜和氧化锌本质上是磁性的,这意味着一个缺陷类型必须存在诱导磁矩和另一个调解。
这项工作的重点是观察到的不寻常的负磁滞回线Al-Co:氧化锌示例(图2)。治疗的电影作为一个简化的双层结构,底层有磁矩和矫顽力上层的不同,为扭转滞后(提供了一个可能的解释27]。这些磁矩可能与不同的缺陷,由独特的支持行为的合理性的S参数28]在depth-resolved不是测量的多普勒展宽Al-Co-doped氧化锌薄膜下面的解释。多普勒展宽的不是已经建立一个有效的技术在识别中性或带负电荷的半导体和电介质vacancy-type缺陷(28- - - - - -35]。由于缺乏积极的离子核,这些空缺形成吸引力势陷阱正电子,导致测量正电子湮没参数的变化特征。
有限公司- S和W参数,Al -, Mn-doped氧化锌在石英和蓝宝石基板图所示4(一)和4 (b)并绘制功能的事件正电子能量和平均植入深度。参数和W代表正电子湮没的分数与价和核心电子,分别提供缺陷信息结构和密度。我们获得S和W参数,分别除以计数在511 keV峰的中心,和计数峰值的翅膀,总数量。吸引潜在的引起的中性或带负电荷的空缺可能陷阱正电子站点,在这些缺陷导致毁灭与低动量价电子,导致S参数的增加和减少W参数。在数据4(一)和4 (b),正电子湮没在表面的电影发生在第一个10 - 20 nm (0 - 1.5 keV)和正电子湮没在基质作用界面附近开始过去10 keV约270海里。大S参数通过正电子能量过去10 keV的变化是由于基质中的正电子湮没。3%的电影。内格罗蓬特:氧化锌纳米晶体的生长在石英石英衬底,而其他电影是生长在蓝宝石或石英石英基质。这就解释了3%的更高的S参数样本。内格罗蓬特:氧化锌石英。1.5 keV 10 keV,地区之间的正电子在交互的大部分电影和这个地区的高S参数显示在所有的这些影片中高浓度的缺陷。的S参数Al-Co:氧化锌改建在图5显示一个不寻常的行为最初的S参数,减少的特征成分转换(例如从电影到衬底),简要高原附近5 keV然后增加到8 keV之前按通常的衬底典型性逐渐变小。这种行为表明Al-Co之间的微观结构不同:氧化锌薄膜和其他TM-doped电影;它表明了膜层具有不同缺陷类型和可能证实above-proposed两层模型的负磁滞回线测量Al-Co:氧化锌薄膜。
(一)
(b)
XRD谱图6表示一个多晶结构匹配的六角纤锌矿结构氧化锌(26]。山峰在2θ= 45.2°和50.8°代表氧化铝的(302)阶段和艾可(201)阶段,分别。这些阶段不诱导调频,从而不能为铁磁性的电影。此外,钴氧化物的缺失和集群的x射线衍射谱表明无二次磁阶段的电影。的光学吸收谱Al-Co:氧化锌薄膜图所示7可见范围和显示良好的透明度。光学带隙可以使用Tauc外推估计从吸收光谱(36,37),线性部分与是外推到 近似的带隙,是吸收系数和高压电子伏特的能量(eV)。的带隙直接允许转换,Al-Co:氧化锌薄膜是3.15 eV,氧化锌的带隙是一致的。层有不同的缺陷结构的存在并不影响氧化锌的带边沿;然而,它会影响吸收曲线如图的尾巴7。应该提到铁磁薄膜高电阻;因此,通过霍尔效应测量载体浓度和类型的调查是不可能的。这可能表明电荷载体不是铁磁性的主要介质在这些样品。我们预计,磁邻近效应发生在异质结构与磁层负磁异常行为负责的。
我们应该考虑晶界的可能作用诱导调频,正如我们sol-gel-doped氧化锌薄膜的结构特征(24)表明一个小晶粒尺寸约20海里。根据以前的工作由徐et al。38),FM发生在多晶氧化锌薄膜晶界密度很高。另一个最近的研究显示,氧化锌薄膜具有较强的纹理调频行为而untextured电影是无磁性的39]。两个因素与晶界可能影响调频在我们的电影。掺杂剂的溶解度或杂质可能会增加多晶薄膜的晶粒尺寸减少杂质在晶界和大部分溶解;这将提高磁性离子的浓度(18,40]。与Co-Al相关联的另一个因素是:氧化锌薄膜共掺的氧化锌薄膜晶界能引起缺陷可能提高调频的电影和影响他们的磁行为。这是不寻常的磁滞回线的另一个可能的解释Co-Al:氧化锌薄膜。
4所示。结论
铁磁transition-metal-doped氧化锌薄膜生长的溶胶-凝胶法和磁鱿鱼的测量和调查depth-resolved正电子湮没谱学。高浓度的缺陷被发现在所有的样本,表明缺陷的可能作用诱导磁矩和中介铁磁性。一个有趣的、消极的磁滞回线表明反铁磁性的行为是Al-Co-doped氧化锌薄膜的测量和解释通过一个两层的模型层的电影由两个不同的磁矩和证实的独特行为的S参数Co-Al:氧化锌薄膜因与不同的缺陷结构层。XRD谱验证六角纤锌矿型氧化锌结构以及阶段的氧化铝和艾可与不同的磁矩可能产生各种缺陷,而光学光谱表明吸收尾指示高缺陷浓度的变化。缺陷已经预测背后FM在氧化锌和其他DMS;然而,这项研究表明,缺陷也可能诱发小说在DMS薄膜磁行为。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者承认收到资金从美国国家科学基金会在DMR 1359523拨款。