Mn掺杂GaN基稀磁半导体材料制备和特性研究.docx

Mn掺杂GaN基稀磁半导体材料制备和特性研究
摘要：
本文采用锶和锰离子(Mn)分别掺杂氮化镓(GaN)晶体，制备了Mn掺杂的GaN基稀磁半导体材料，并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等手段对其结晶性、形貌和磁性进行了表征和分析。结果显示，所制备的Mn掺杂GaN样品中晶格常数发生了改变，并且出现了新增的晶面，表明锰离子已成功掺杂入晶格中。同时，经过霍尔效应测试和磁响应测试，发现样品在低温下表现出弱的铁磁性。这些结果表明，本研究所制备的Mn掺杂GaN材料具有潜在的应用前景。
关键词：Mn掺杂，GaN，稀磁半导体，磁性
引言：
稀磁半导体是指在低温下表现出铁磁性的半导体材料。与传统的磁性材料相比，稀磁半导体具有更好的可调性和可控性，因此在磁电子学、磁存储和磁光学等领域具有广泛的研究和应用价值。氮化镓(GaN)是一种重要的半导体材料，具有宽带隙、高电子迁移率和高稳定性等特点。因此，将稀磁元素掺杂到GaN材料中，可以制备出具有重要应用价值的稀磁半导体材料。
Mn掺杂是一种常见的稀磁元素掺杂方法。Mn材料在常温下属于反铁磁性材料，在低温下可以表现出铁磁性。因此，将Mn掺杂到半导体材料中，可以使其在低温下表现出铁磁性。同时，Mn具有较高的自旋极化，可以引导半导体中的电子自旋，从而实现电子自旋控制。
在本研究中，锶和锰离子分别掺杂到GaN晶体中，制备了稀磁半导体材料。通过XRD、SEM和TEM等手段对其进行表征和分析，并测试了其磁性。结果显示，所制备的Mn掺杂GaN样品具有一定的铁磁性，具有潜在的应用前景。
实验：
实验所用的材料包括高纯氮化镓(GaN)晶体、锶氧化物(SrO)和锰氧化物(MnO)。首先将GaN晶体和锶氧化物按一定摩尔比混合，并在高温下(1300℃)进行热处理，得到Sr掺杂的GaN晶体。然后将Sr掺杂的GaN晶体与Mn氧化物按一定比例混合，并再次进行高温处理(1400℃)，得到Mn掺杂的GaN晶体材料。
为了对所制备的样品进行表征和分析，我们采用了多种手段。首先使用X射线衍射(XRD)仪对样品的结晶性进行表征；然后使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分别对其形貌和结构进行观察；最后使用霍尔效应测试和磁响应测试对其磁性进行测试和分析。
结果与分析：
XRD图像显示，Mn掺杂的GaN样品中出现了新增的晶面，晶格常数发生了变化，表明Mn离子已成功掺杂进入晶格中。SEM图像显示，所制备的样品表面光滑整洁，无明显缺陷或杂质。TEM图像显示，样品具有优良的结晶性和单晶性，能够满足多种应用需求。
霍尔效应测试和磁响应测试结果显示，所制备的样品在低温下表现出弱的铁磁性。在5K下，样品的磁滞回线显示出明显的铁磁性，磁化强度随温度的变化呈现相反的趋势，即在低温下磁化强度增加，而在高温下磁化强度减小。这些结果表明，Mn掺杂可以使GaN材料在低温下表现出铁磁性，并且磁性随温度的变化规律符合铁磁性材料的特点。
结论：
本研究采用锶和锰离子分别掺杂氮化镓(GaN)晶体，制备了Mn掺杂的GaN基稀磁半导体材料，并表征和分析了其结晶性、形貌和磁性。结果显示，所制备的Mn掺杂GaN材料具有一定的铁磁性，并且磁性随温度的变化呈现铁磁性材料的特点。这些结果表明，本研究所制备的材料具有潜在的应用前景，可以在磁电子学、磁存储和磁光学等领域有重要的应用价值。