任銀拴，　張珠峰，　魯軍旺，　米立功，　向　劍

(1. 黔南民族師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 都勻 558000； 2. 重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院， 重慶 401520； 3. 新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 烏魯木齊 830046)

0　引　言

III族氮化物稀磁半導(dǎo)體在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用引起研究者廣泛的關(guān)注。 就自旋電子學(xué)的實際應(yīng)用而言，所期望的自旋有序是在室溫或室溫以上，在早期的科研工作中，獲得稀磁半導(dǎo)體的主要途徑是將稀土或者過渡族磁性元素?fù)诫s在半導(dǎo)體中。例如磁性元素Co、Fe、Ni等[1-3]摻雜到AlN半導(dǎo)體中，然而AlN基稀磁半導(dǎo)體中是否存在鐵磁性及其內(nèi)在機制存在較大的分歧，引起分歧的主要原因是摻雜元素本身、第二相或者摻雜元素團(tuán)簇等都可以導(dǎo)致鐵磁性。如果非磁性元素?fù)诫s和缺陷誘導(dǎo)半導(dǎo)體能實現(xiàn)鐵磁性，那將是對自旋電子學(xué)的一個擴(kuò)展。目前有兩種方法：① 可以實施而且可控可靠的方法就是將非磁性元素?fù)诫s在半導(dǎo)體當(dāng)中；② 在半導(dǎo)體材料中制造點缺陷。吳榮等[4]報道AlN中摻雜Si引起N空位導(dǎo)致室溫鐵磁性。陳小龍等[5]報道在實驗和理論上由N空位點缺陷誘導(dǎo)的AlN基稀磁半導(dǎo)體，在5 K時的飽和磁化強度最大為10 A/m，并且認(rèn)為是空位之間的耦合作用導(dǎo)致鐵磁性。吳小山等[6]報道在理論上是N空位和In空位共存，但實驗上InN稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性只是來源于In空位點缺陷，樣品的居里溫度高于297 K。熊娟等報道AlN[7]中摻雜Mg引起N空位導(dǎo)致室溫鐵磁性。任銀拴等報道在實驗上先后實現(xiàn)Ti[8]和Sn[9]摻雜AlN獲得室溫鐵磁性，原因歸功于缺陷誘導(dǎo)；用溶劑熱法制備的CdS[10]微納結(jié)構(gòu)獲得室溫鐵磁性，原因歸功于結(jié)構(gòu)缺陷誘導(dǎo)。目前沒有相關(guān)報道用電弧法合成缺陷誘導(dǎo)室溫鐵磁性AlN稀磁半導(dǎo)體粉體?；谝陨显颍疚牟捎秒娀》ê铣墒覝罔F磁微米球狀A(yù)lN稀磁半導(dǎo)體粉體。振動樣品磁強計測試表明，AlN粉體具有室溫鐵磁性；飽和磁化強度和矯頑力分別為130.0 A/m和13.68 kA/m。在950 °C氨氣氣氛下退火8 h后，飽和磁化強度和矯頑力分別為48.6 A/m和8.536 kA/m。N空位和本征缺陷在引起AlN稀磁半導(dǎo)體室溫鐵磁性上扮演著重要的角色。

1　實驗部分

1.1　樣品的表征

利用多種手段對樣品的物相結(jié)構(gòu)、形貌、物性及磁性進(jìn)行了表征：晶體結(jié)構(gòu)用X射線衍射儀(XRD，Mac Scienc M18XHF22-SRA)表征，Cu Kα靶。形貌由掃描電子顯微鏡(SEM，LEO 143 OVP)觀測。能譜分析(EDS)采用Philips XL-30掃描電子顯微鏡(SEM)，樣品的室溫光致發(fā)光譜用分光光度計(PL，日本 Hitachi F-4500)，激發(fā)波長為250 nm，磁性表征采用美國LaKe Shore公司生產(chǎn)振動樣品磁強計(VSM，7404)測試。

1.2　試劑與樣品的制備

以高純Al粉和N2為原料，采用電弧法在原位成功合成微米球狀室溫鐵磁性AlN稀磁半導(dǎo)體粉體。實驗過程如下：將5.0 g高純鋁粉(99.99%)放到水冷的銅鍋中。在常溫常壓下實驗之前，調(diào)整好陽極鋁塊與陰極鎢桿的距離，固定電流在0～80 A，用真空脂密封反應(yīng)室。以直徑為0.5 cm的鎢桿作為陰極時，密封腔體之后，首先對反應(yīng)室抽真空，以除去反應(yīng)室內(nèi)的雜質(zhì)氣體和吸附在反應(yīng)室壁上的水汽。使用氬氣洗氣2次后，通過陽極驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)整陰陽兩極之間的距離，使其接觸起弧，其次在常壓氬氣氣氛下對鋁粉進(jìn)行合金化。實驗電流I=50.0 A，最后進(jìn)行二次抽真空，使用氮氣洗氣2次之后，在常壓氮氣氣氛下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，實驗電流I=75.0 A，反應(yīng)時間60.0 min，然后在原位收集到粉末樣品。樣品首先用濃鹽酸和濃硝酸比例為3∶1的溶液清洗，其次用去離子水清洗，然后放入帶有真空裝置系統(tǒng)的烘箱，在60 °C烘箱烘干之后獲得樣品。

2　結(jié)果與討論

2.1　物相分析

圖1是典型的AlN粉體的XRD譜圖，譜圖上的樣品是原位產(chǎn)物。樣品衍射峰對應(yīng)的晶面是(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)、(004)，這和相應(yīng)的卡片號為ICDD-PDF: 25-1133一致。結(jié)果表明，所制備的樣品為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，同時沒有發(fā)現(xiàn)其他雜相，如鋁、鋁的氧化物、氮及氮的氧化物等。

圖1AlN粉體的XRD譜圖

2.2　成分分析

圖2是典型的AlN粉體EDS譜圖，顯示只有Al、N和少量的O元素，其中Al∶N之比為1∶0.94，說明樣品中N不足。

2.3　形貌分析

圖3是AlN粉體的SEM圖。由圖可以看出，樣品表面為不均勻的微米顆粒，形貌顯示為微米片平均尺寸在2～40 μm，破碎的空心半球及由微米片卷曲而成的球狀結(jié)構(gòu)平均尺寸在3～30 μm，從形貌結(jié)果分析來看，AlN粉體形成一些結(jié)構(gòu)缺陷。

圖2AlN粉體的EDS譜圖

圖3　AlN粉體的SEM譜圖

2.4　光性能分析

圖4為AlN粉體的室溫光致發(fā)光譜(PL)圖。本實驗測試使用激發(fā)波長260 nm，筆者認(rèn)為，PL譜上370 nm處的發(fā)光峰和402 nm處的發(fā)光峰可能來源于 AlN自身的本征缺陷，420 nm處的發(fā)光峰可能來源于N空位[11]； 452 nm處的發(fā)光峰可能與摻雜引起的深能級有關(guān)[12]；470 nm處的發(fā)光峰可能來源于AlN的點缺陷[13-15]，例如N空位及間隙的Al原子為點缺陷?？傊琍L的發(fā)射峰主要由N空位、本征缺陷、O雜質(zhì)等缺陷引起的發(fā)光峰，這與EDS的結(jié)果是一致的。

圖4AlN粉體的室溫光致發(fā)光譜圖

2.5　磁性能分析

圖5是樣品室溫下磁化強度M隨磁場H變化曲線圖，插圖為相應(yīng)的M-H放大曲線圖。由圖5可以觀察到清晰的磁滯回線，表明AlN粉體具有室溫鐵磁性，飽和磁化強度和矯頑力分別為130.0 A/m和13.68 kA/m，居里溫度Tc高于300 K。圖6為樣品在950 °C氨氣氣氛下退火8 h后的M-H曲線圖，從圖中可以觀察到清晰的磁滯回線，AlN粉體具有室溫鐵磁性，飽和磁化強度和矯頑力分別為48.6 A/m和8.536 kA/m，居里溫度高于300 K；通過退火前后AlN粉體M-H曲線對比，認(rèn)為N空位及本征缺陷引起AlN具有室溫鐵磁性，缺陷扮演者重要的角色。

圖5AlN微米球M-H曲線

圖6950 ℃退火后AlN微米球M-H曲線

2.6　磁性來源分析

在室溫條件下，用振動樣品磁強計(vsm)測試AlN粉體的磁性，測試精度可達(dá)10 μA/m。其中，AlN薄膜表現(xiàn)出抗磁性，而通過實驗合成的AlN粉體表現(xiàn)出室溫鐵磁性，且AlN稀磁半導(dǎo)體粉體為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，而且沒有發(fā)現(xiàn)其他雜相或者混合相。通過EDS成分分析顯示，只有Al、N和O元素，沒有其他元素，根據(jù)XRD、EDS、SEM、PL和vsm綜合分析顯示，樣品的室溫鐵磁性與N空位、本征缺陷及其他缺陷有關(guān)。 在氨氣氣氛下退火8 h后，樣品飽和磁化強度和矯頑力都有所降低，其可能是由于氧雜質(zhì)引起的，說明磁性來源于樣品的N空位、本征缺陷等缺陷，并且這與陳小龍等[8]通過理論計算和實驗分析證實N空位誘導(dǎo)AlN具有鐵磁性結(jié)果一致。

結(jié)合XRD、EDS、SEM、PL和vsm結(jié)果分析，認(rèn)為球狀A(yù)lN粉體的室溫鐵磁性來源于N空位及本征缺陷，這還需要進(jìn)一步探索。

3　結(jié)　語

本文采用電弧法以高純Al粉和N2為源，在原位成功合成微米球狀室溫鐵磁性AlN稀磁半導(dǎo)體粉體。物相結(jié)果分析顯示AlN粉體為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，電子能量散射譜表明AlN粉體由Al和N元素組成，且N不足。形貌分析結(jié)果顯示微米片平均尺寸在2～40 μm，破碎的空心半球及由微米片卷曲而成的球狀結(jié)構(gòu)平均尺寸在3～30 μm。光致發(fā)光譜上出現(xiàn)由N空位、本征缺陷、點缺陷等缺陷引起的發(fā)射峰。振動樣品磁強計表明AlN稀磁半導(dǎo)體粉體在300 K時有明顯的磁滯回線，飽和磁化強度和矯頑力分別為130.0 A/m和13.68 kA/m。在950 °C氨氣氣氛下退火8 h后，飽和磁化強度和矯頑力分別為48.6 A/m和8.536 kA/m。 因此，缺陷在引起AlN稀磁半導(dǎo)體粉體的鐵磁性上扮演者重要角色。

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