掺Ni的AlN薄膜稀磁半导体的制备及磁性研究

钟伟明,秦杰,熊娟,顾豪爽

(湖北大学物理学与电子技术学院,湖北 武汉 430062)

稀磁半导体(DMSs)因其在自旋电子器件方面巨大的应用潜力而引起广大学者的广泛关注[1].国内外很多研究团队对AlN基稀磁半导体进行了深入的研究[2-4].国内外的研究人员通过对AlN掺杂3d族过渡金属,如Cr[2]、Mn[5]、Fe[6]、Co[7]等得到了室温居里温度或居里温度高于室温的AlN基稀磁半导体.但是对于掺Ni的AlN薄膜稀磁半导体的研究还未见报道,而基于易集成化、小型化及与半导体技术兼容等方面考虑,薄膜稀磁半导体相比粉体等更具应用前景.本文中采用磁控溅射的方法制备了掺Ni的AlN薄膜,并对其晶体结构、室温磁性能、组态进行了测试分析,并初步分析了其磁性的来源.

1 实验

通过射频磁控溅射在Si(100)衬底上交叠溅射AlN及Ni,得到Al1-xNixN(x=0.021、0.047、0.064、0.082).靶材分别为高纯Al靶(99.99%)和高纯Ni靶(99.99%),本底真空度达到5×10-4Pa,衬底温度保持300 ℃,沉积AlN时氮氩流量比为18∶12,溅射气压0.5 Pa,射频溅射功率为150 W.沉积Ni时气压1.5 Pa,射频溅射功率为100 W.在Si衬底上交叠溅射,且底层及顶层都为AlN,通过控制Ni的溅射时间，得到不同Ni原子比的薄膜.通过X线荧光光谱仪(XRF)(Shimdazu,XRF-1800)测试样品中Ni的原子比,利用X线衍射(XRD)(Bruker,D8-FOCUS,Cu Kα,40 KV,40 mA)表征样品的晶体结构,利用振动样品磁强计(VSM)(南京大学仪器厂,HH-10)表征室温下样品的磁性能,通过X线光电子能谱分析(XPS)(VG Mutilab 2000)研究样品中元素的组态并探讨样品磁性的来源.

2 结果和分析

2.1XRD分析图1是不同Ni含量Al1-xNixN(x=0.021、0.047、0.064、0.082)的XRD测试结果,从图中可以看出,所有样品都沿AlN(100)晶向择优取向,没有出现Ni单质或Ni氧化物的衍射峰,其中,x=0.047样品中出现较弱的AlNi3(110)的峰.可能在样品中Ni以极少数单质的团簇形式存在(将在后面XPS结果讨论中排除);也可能Ni进入AlN晶格,少数Ni取代了部分Al的位置,形成Ni-N键.

图1 Al1-xNixN的X线衍射图谱(a)x=0.021;(b)x=0.047;(c)x=0.064;(d)x=0.082.

2.2VSM分析为了研究掺Ni的AlN薄膜的磁性能,在室温下对不同Ni掺杂量的样品测试了其M-H曲线,如图2所示.从测试结果可以看出,各样品都具有室温铁磁性,且随着Al1-xNixN中x的增加,饱和磁矩先减小后增大到64.5 emu/cm3,说明随着Ni含量的增加,样品的饱和磁矩增大.室温下各样品的矫顽力在78-104 Oe之间(如图2插入图所示),其中x=0.082时样品具有最大矫顽力104 Oe.相比文献[8]报道的Ni掺杂AlN粉末的矫顽力150 T时最高80 Oe,300 T时最高22 Oe[8],本文中所制备的薄膜样品的矫顽力更高.这从一个方面说明了Ni掺杂的AlN薄膜相比Ni掺杂的AlN粉末更具应用前景.

图2 不同Ni掺杂量Al1-xNixN的室温M-H曲线(a)x=0.021;(b)x=0.047;(c)x=0.064;(d)x=0.082.各图中的插入图片为相应的局部放大.

图3 Al0.979Ni0.021N的XPS图样

2.3XPS分析为了研究样品的磁性来源,对样品Al0.979Ni0.021N进行了X射线光电子能谱分析,如图3所示.从图中可以看出,Ni2p3/2的结合能位于855.7 eV,而Ni02p3/2的结合能位于852.1 eV[9],NiO中的Ni2+2p3/2的结合能位于855.0 eV[9],因此所制备的样品中不存在Ni团簇或NiO.从谱图上还可以看出，Ni2p1/2的结合能位于873.4 eV,Ni2p3/2和Ni2p1/2的结合能的差值为17.7 eV,而NiO中二者的差值为18.4 eV[9],这进一步说明样品薄膜中不存在NiO.根据文献[10],Ni2p3/2结合能的位置与Ni2O3中Ni3+的位置接近[10],而Ni2O3为顺磁性,图2(a)所示的M-H曲线表明该样品在室温下具有铁磁性,因此VSM及XPS测试结果表明样品中不存在Ni2O3.结合前面的分析可以推断Ni原子已经渗入AlN晶格中,部分取代了Al的位置,且其化合价为+3价.结合文献[11]的理论研究结论,样品铁磁性来源于Ni和相邻N原子之间的p-d杂化[11].

3 结论

通过射频磁控交叠溅射的方法,制备了不同Ni掺杂量的AlN薄膜Al1-xNixN(x=0.021、0.047、0.064、0.082),所有样品皆沿AlN(100)晶向择优取向.各样品在室温下都具有铁磁性,且样品的饱和磁矩随Ni掺杂量的增加先减小后增大,x=0.082时达到最大为64.5 emu/cm3,室温下矫顽力也达到104 Oe.由样品XPS结果可以推断Ni原子进入AlN晶格取代了Al的位置,Ni和相邻N原子之间的p-d杂化是Al1-xNixN薄膜铁磁性的来源.Ni掺杂的AlN基薄膜稀磁半导体将在磁电器件领域具有广阔的应用前景.

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