Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性與電輸運特性及內(nèi)在關聯(lián)研究一、緒論1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的進程中，半導體材料始終占據(jù)著至關重要的地位，成為推動電子信息技術(shù)持續(xù)進步的核心要素。從早期的晶體管到如今高度復雜的集成電路，半導體材料的不斷革新與發(fā)展，為計算機、通信、能源等眾多領域帶來了翻天覆地的變革，極大地改變了人們的生活方式和社會的發(fā)展格局。而在半導體材料的龐大體系中，Ⅳ族非晶半導體薄膜憑借其獨特的物理性質(zhì)和潛在的應用價值，逐漸成為材料科學領域的研究熱點之一。Ⅳ族非晶半導體薄膜主要包含硅（Si）、鍺（Ge）等元素，這些元素在半導體領域具有舉足輕重的地位。與傳統(tǒng)的晶態(tài)半導體相比，Ⅳ族非晶半導體薄膜的原子排列呈現(xiàn)出長程無序的特點，這種獨特的結(jié)構(gòu)賦予了其許多優(yōu)異的性能。例如，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)使得材料在制備過程中能夠更容易地實現(xiàn)大面積、低成本的生產(chǎn)，這對于大規(guī)模集成電路的制造以及新型顯示技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。同時，Ⅳ族非晶半導體薄膜還展現(xiàn)出良好的光學性能、電學性能以及機械性能等，在光電器件、傳感器、柔性電子等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。另一方面，磁性材料在信息存儲、傳感器、能源等領域同樣發(fā)揮著不可或缺的作用。傳統(tǒng)的磁性材料主要應用于數(shù)據(jù)存儲和讀取等方面，然而，隨著科技的不斷進步，對于磁性材料性能的要求也日益提高。如何開發(fā)出具有更高性能的磁性材料，實現(xiàn)磁性與半導體特性的有效結(jié)合，成為了材料科學領域亟待解決的重要問題。將Ⅳ族非晶半導體薄膜與磁性相結(jié)合，形成的磁性半導體材料，為解決上述問題提供了新的思路和方向。這種新型材料不僅兼具半導體的電學和光學特性，還具備磁性材料的磁學性質(zhì)，為自旋電子學等新興領域的發(fā)展奠定了堅實的基礎。自旋電子學作為一門研究電子自旋極化輸運特性以及基于這些特性設計、開發(fā)新型電子器件的交叉學科，近年來取得了迅猛的發(fā)展。在自旋電子學中，磁性半導體材料是實現(xiàn)自旋注入、自旋操控和自旋探測的關鍵材料之一。通過對Ⅳ族非晶半導體薄膜進行磁性摻雜或其他改性處理，可以調(diào)控其磁性和電輸運性質(zhì)，從而實現(xiàn)對電子自旋的有效控制，為開發(fā)新型的自旋電子器件提供了可能。具體而言，在自旋電子器件中，如自旋場效應晶體管（Spin-FieldEffectTransistor，Spin-FET）、磁性隨機存儲器（MagneticRandomAccessMemory，MRAM）等，Ⅳ族非晶磁性半導體薄膜可以作為核心材料，利用其獨特的磁性和電輸運特性，實現(xiàn)信息的高效存儲和快速處理。與傳統(tǒng)的微電子器件相比，自旋電子器件具有低功耗、高速度、高存儲密度等優(yōu)勢，有望成為未來信息技術(shù)發(fā)展的重要支撐。此外，Ⅳ族非晶磁性半導體薄膜在傳感器領域也具有廣闊的應用前景。例如，利用其磁電阻效應，可以制備出高靈敏度的磁傳感器，用于檢測微弱的磁場信號，在生物醫(yī)學檢測、地質(zhì)勘探、航空航天等領域發(fā)揮重要作用。綜上所述，對Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性與電輸運進行深入研究，不僅有助于揭示非晶態(tài)材料中磁性和電輸運的內(nèi)在物理機制，豐富和完善凝聚態(tài)物理的理論體系，還能夠為新型自旋電子器件的開發(fā)和應用提供關鍵的材料基礎和技術(shù)支持，推動半導體技術(shù)和信息技術(shù)的進一步發(fā)展，具有重要的科學意義和實際應用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性與電輸運研究在國內(nèi)外均受到了廣泛關注，眾多科研團隊從不同角度展開探索，取得了一系列具有重要價值的研究成果。在國外，早期的研究主要聚焦于非晶半導體薄膜的基本物理性質(zhì)。例如，對非晶硅薄膜的電學特性研究發(fā)現(xiàn)，其電導率與缺陷態(tài)密切相關，缺陷態(tài)的存在會顯著影響載流子的輸運過程。隨著研究的深入，人們開始關注非晶半導體薄膜的磁性。有研究通過離子注入的方法將磁性離子引入非晶鍺薄膜中，成功觀測到了室溫鐵磁性，這一發(fā)現(xiàn)為磁性半導體的研究開辟了新的方向。在自旋電子學領域，國外研究團隊利用非晶半導體薄膜制備出了自旋閥等器件，并對其自旋相關的電輸運性質(zhì)進行了深入研究，揭示了自旋注入、自旋弛豫等過程的物理機制。國內(nèi)的相關研究也取得了長足的進展。科研人員在非晶半導體薄膜的制備工藝上不斷創(chuàng)新，采用磁控濺射、化學氣相沉積等多種方法，制備出了高質(zhì)量的Ⅳ族非晶半導體薄膜。在磁性研究方面，國內(nèi)團隊通過對非晶硅鍺合金薄膜進行磁性摻雜，系統(tǒng)研究了摻雜濃度、退火溫度等因素對薄膜磁性的影響，發(fā)現(xiàn)適當?shù)耐嘶鹛幚砜梢燥@著增強薄膜的鐵磁性。在電輸運性質(zhì)研究中，國內(nèi)學者深入探討了非晶半導體薄膜中載流子的散射機制，提出了一些新的理論模型來解釋實驗現(xiàn)象，為理解非晶半導體的電輸運行為提供了理論支持。盡管國內(nèi)外在Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性與電輸運研究方面已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處。在磁性研究中，目前對于非晶半導體薄膜中磁性起源的理解還不夠深入，不同的實驗結(jié)果和理論模型之間存在一定的爭議。對于磁性與半導體特性之間的耦合機制，還缺乏系統(tǒng)的研究，這限制了對磁性半導體材料性能的進一步優(yōu)化。在電輸運研究方面，雖然已經(jīng)對載流子的散射機制有了一定的認識，但在復雜的非晶結(jié)構(gòu)中，載流子的輸運過程仍然十分復雜，現(xiàn)有的理論模型還不能完全準確地描述實驗現(xiàn)象。此外，在制備工藝方面，如何實現(xiàn)高質(zhì)量、大面積的Ⅳ族非晶半導體薄膜的制備，同時精確控制其磁性和電輸運性質(zhì)，仍然是一個亟待解決的問題。綜上所述，Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性與電輸運研究雖然取得了一定的進展，但仍有許多關鍵科學問題和技術(shù)難題需要進一步探索和解決。未來的研究需要加強理論與實驗的結(jié)合，深入研究材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關系，不斷優(yōu)化制備工藝，以推動Ⅳ族非晶半導體薄膜在自旋電子學等領域的實際應用。1.3研究內(nèi)容與方法本研究將緊緊圍繞Ⅳ族非晶半導體薄膜，全面深入地探究其磁性、電輸運性質(zhì)以及二者之間的內(nèi)在關聯(lián)，綜合運用多種先進的實驗手段與嚴謹?shù)睦碚摲治龇椒?，力求揭示其中的物理機制，為該材料的實際應用提供堅實的理論基礎和技術(shù)支撐。具體研究內(nèi)容和方法如下：1.3.1研究內(nèi)容Ⅳ族非晶半導體薄膜的制備：采用磁控濺射法這一成熟且廣泛應用的技術(shù)，在精心挑選的襯底上進行Ⅳ族非晶半導體薄膜的制備。在制備過程中，對濺射功率、濺射時間、氣體流量、襯底溫度等關鍵工藝參數(shù)進行精確調(diào)控，以實現(xiàn)對薄膜厚度、成分以及微觀結(jié)構(gòu)的精準控制。例如，通過改變?yōu)R射功率，可以調(diào)節(jié)薄膜的沉積速率，進而影響薄膜的厚度；通過調(diào)整氣體流量，可以改變薄膜的化學成分；通過控制襯底溫度，可以影響薄膜的結(jié)晶程度和微觀結(jié)構(gòu)。制備出不同成分和結(jié)構(gòu)的Ⅳ族非晶半導體薄膜，為后續(xù)的性能研究提供多樣化的樣品。磁性性質(zhì)研究：運用振動樣品磁強計（VSM）這一常用的磁性測量設備，對制備好的薄膜的磁滯回線、飽和磁化強度、矯頑力等關鍵磁性參數(shù)進行系統(tǒng)測量。詳細分析不同成分、微觀結(jié)構(gòu)以及制備工藝參數(shù)對薄膜磁性的影響規(guī)律。比如，研究發(fā)現(xiàn)隨著磁性離子摻雜濃度的增加，薄膜的飽和磁化強度可能會呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為適量的磁性離子摻雜可以增加磁性中心的數(shù)量，從而提高飽和磁化強度，但當摻雜濃度過高時，可能會導致磁性離子之間的相互作用增強，形成反鐵磁耦合，從而降低飽和磁化強度。深入探究薄膜中磁性的起源和磁相互作用機制，通過理論計算和實驗結(jié)果的對比分析，揭示磁性與材料微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。電輸運性質(zhì)研究：利用四探針法這一經(jīng)典的電輸運測量方法，測量薄膜的電阻率隨溫度的變化關系，獲取薄膜的電輸運特性。結(jié)合霍爾效應測量，深入研究載流子的濃度、遷移率等輸運參數(shù)，全面分析不同因素對電輸運性質(zhì)的影響。例如，研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，薄膜的電阻率可能會呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這是因為在低溫下，載流子主要受到雜質(zhì)散射的影響，隨著溫度的升高，載流子的熱運動加劇，散射幾率減小，電阻率降低；但當溫度進一步升高時，晶格振動加劇，載流子受到的聲子散射增強，電阻率又會升高。分析薄膜中載流子的散射機制，探討微觀結(jié)構(gòu)、缺陷等因素對載流子散射的影響，建立合理的電輸運模型，以準確描述薄膜的電輸運行為。磁性與電輸運性質(zhì)的關聯(lián)研究：重點研究磁性對電輸運性質(zhì)的影響，以及電輸運過程對磁性的調(diào)控作用。例如，通過施加外磁場，觀察薄膜的電阻率和霍爾系數(shù)的變化，研究磁電阻效應和反?；魻栃?，分析其產(chǎn)生的物理機制。研究發(fā)現(xiàn)，在某些Ⅳ族非晶半導體薄膜中，存在著顯著的磁電阻效應，即隨著外磁場的增加，薄膜的電阻率會發(fā)生明顯的變化，這是由于磁性與電輸運之間的相互作用導致載流子的散射機制發(fā)生改變。同時，研究電場對薄膜磁性的調(diào)控作用，探索通過電信號實現(xiàn)對磁性的有效控制的方法，為開發(fā)新型的自旋電子器件提供理論依據(jù)。1.3.2研究方法實驗研究：利用磁控濺射儀進行薄膜制備，通過精確控制濺射參數(shù)，確保制備出高質(zhì)量、性能穩(wěn)定的Ⅳ族非晶半導體薄膜。采用X射線衍射（XRD）技術(shù)，對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進行分析，確定薄膜是否為非晶態(tài)以及是否存在其他晶體相。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM），觀察薄膜的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，獲取薄膜的厚度、晶粒尺寸、界面結(jié)構(gòu)等信息。運用振動樣品磁強計（VSM）測量薄膜的磁性參數(shù)，利用四探針法和霍爾效應測量系統(tǒng)測量薄膜的電輸運參數(shù)，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。理論分析：基于密度泛函理論（DFT），運用MaterialsStudio等計算軟件，對Ⅳ族非晶半導體薄膜的電子結(jié)構(gòu)和磁性進行理論計算。通過計算分析原子間的相互作用、電子云分布等，深入探究磁性的起源和磁相互作用機制。建立合適的電輸運模型，如考慮雜質(zhì)散射、聲子散射等因素的模型，運用數(shù)學方法對電輸運過程進行模擬和分析，解釋實驗中觀察到的電輸運現(xiàn)象，預測材料的電輸運性能，為實驗研究提供理論指導。二、相關理論基礎2.1非晶半導體基本理論2.1.1非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特點非晶態(tài)物質(zhì)的原子排列呈現(xiàn)出短程有序、長程無序的顯著特征。在短程范圍內(nèi)，即原子的近鄰區(qū)域，原子的排列方式與晶態(tài)物質(zhì)具有一定的相似性，存在著較為規(guī)則的幾何構(gòu)型和鍵長、鍵角關系。例如，在非晶硅中，硅原子通過共價鍵與周圍的四個硅原子相連，形成類似四面體的結(jié)構(gòu)，這種短程有序的結(jié)構(gòu)使得非晶硅在一定程度上能夠保持原子間的相互作用和穩(wěn)定性。然而，從長程來看，非晶態(tài)物質(zhì)中原子的排列不再遵循周期性和對稱性的規(guī)律，不存在晶態(tài)物質(zhì)中那種整齊排列的晶格結(jié)構(gòu)。原子的位置和取向呈現(xiàn)出無規(guī)則的分布狀態(tài)，這種長程無序?qū)е铝朔蔷B(tài)物質(zhì)在宏觀上表現(xiàn)出各向同性的物理性質(zhì)，即在不同方向上，材料的物理性質(zhì)，如電學、光學、力學等性質(zhì)基本相同，這與晶態(tài)半導體的各向異性形成了鮮明的對比。晶態(tài)半導體具有高度有序的晶格結(jié)構(gòu)，原子在空間中按照一定的周期和對稱性規(guī)則排列，形成了整齊的點陣。這種有序結(jié)構(gòu)使得晶態(tài)半導體在電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)上具有明顯的方向性和周期性。例如，在硅晶體中，硅原子按照金剛石結(jié)構(gòu)排列，每個硅原子都與周圍四個硅原子形成共價鍵，鍵長和鍵角固定，這種有序的結(jié)構(gòu)為電子的傳輸提供了相對穩(wěn)定的路徑，使得晶態(tài)半導體具有良好的電學性能和可預測性。此外，晶態(tài)半導體的周期性結(jié)構(gòu)還導致了其在光學性質(zhì)上的各向異性，如光的折射、反射等性質(zhì)會隨著光的傳播方向而發(fā)生變化。而在非晶半導體中，由于長程無序，不存在這種明確的周期性結(jié)構(gòu)，電子在其中的傳輸路徑變得更加復雜和曲折，受到的散射作用也更為強烈。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的缺陷和無序區(qū)域會對電子的運動產(chǎn)生干擾，使得電子在輸運過程中更容易與原子發(fā)生碰撞，從而降低了電子的遷移率和電導率。在光學性質(zhì)方面，非晶半導體的各向同性使得其在光的傳播過程中表現(xiàn)出與晶態(tài)半導體不同的特性，例如光的散射更為均勻，吸收光譜也可能發(fā)生變化。2.1.2Ⅳ族非晶半導體特性Ⅳ族非晶半導體主要由硅（Si）、鍺（Ge）等元素構(gòu)成，這些元素在周期表中位于Ⅳ族，其外層電子結(jié)構(gòu)具有相似性，使得Ⅳ族非晶半導體具備一系列獨特的性質(zhì)。在電學性質(zhì)方面，Ⅳ族非晶半導體的電導率通常介于導體和絕緣體之間，具有半導體的典型特征。與晶態(tài)半導體相比，其電導率對溫度的依賴性更為復雜。在晶態(tài)半導體中，隨著溫度的升高，本征載流子濃度增加，電導率通常呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢。然而，在Ⅳ族非晶半導體中，由于存在大量的缺陷態(tài)和帶尾定域態(tài)，載流子的輸運機制更為復雜。在低溫下，載流子主要通過定域態(tài)之間的跳躍進行傳輸，電導率較低且對溫度的變化較為敏感；隨著溫度的升高，載流子可能會躍遷到擴展態(tài)，電導率逐漸增加，但同時，晶格振動加劇，對載流子的散射作用增強，又會限制電導率的進一步提高，因此其電導率隨溫度的變化曲線可能會出現(xiàn)峰值。此外，Ⅳ族非晶半導體的載流子遷移率通常較低，這是由于無序結(jié)構(gòu)導致載流子在輸運過程中頻繁受到散射，降低了其遷移的速度和效率。在光學性質(zhì)方面，Ⅳ族非晶半導體表現(xiàn)出良好的光吸收特性，尤其是在可見光和近紅外波段。這是因為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的原子無序排列導致了能帶結(jié)構(gòu)的變化，使得材料能夠吸收更廣泛波長范圍的光。例如，非晶硅在可見光范圍內(nèi)具有較高的光吸收系數(shù)，這使得它在太陽能電池等光電器件中具有重要的應用價值。通過在非晶硅中引入適當?shù)碾s質(zhì)或進行摻雜處理，可以進一步調(diào)控其光學性質(zhì)，如改變光吸收的波長范圍和強度，從而滿足不同光電器件的需求。Ⅳ族非晶半導體還可能表現(xiàn)出光致發(fā)光等現(xiàn)象，即材料在吸收光子后能夠發(fā)射出特定波長的光，這一特性在發(fā)光二極管等器件中具有潛在的應用前景。在力學性質(zhì)方面，Ⅳ族非晶半導體通常具有較高的硬度和韌性。與晶態(tài)半導體相比，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中不存在明顯的晶界和位錯等缺陷，使得材料在受力時不容易發(fā)生裂紋的擴展和位錯的滑移，從而表現(xiàn)出較好的力學性能。例如，非晶硅薄膜在受到一定程度的彎曲或拉伸時，能夠保持較好的完整性，不易發(fā)生破裂，這使得它在柔性電子器件中具有良好的應用潛力。然而，由于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的無序性，材料的力學性能也存在一定的各向異性，但其程度相對晶態(tài)半導體要小得多。2.2磁性相關理論2.2.1磁性起源與本質(zhì)磁性作為物質(zhì)的一種基本屬性，其起源可追溯到物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子的運動。從微觀層面來看，磁性主要源于電子的自旋和軌道運動。電子不僅帶有電荷，還具有內(nèi)稟的自旋屬性，類似于地球的自轉(zhuǎn)，電子的自旋會產(chǎn)生自旋磁矩。電子繞原子核的軌道運動也會形成軌道磁矩，如同電流在閉合回路中流動產(chǎn)生磁場一般。在原子中，電子分布于不同的殼層和軌道，其自旋磁矩和軌道磁矩的矢量和構(gòu)成了原子的總磁矩。對于大多數(shù)原子而言，若電子殼層被填滿，電子的自旋磁矩和軌道磁矩往往會相互抵消，使得原子的總磁矩為零，該物質(zhì)表現(xiàn)出抗磁性，即對外界磁場產(chǎn)生微弱的排斥作用，如常見的惰性氣體和抗腐蝕性金屬元素（金、銀、銅等）。然而，當原子中存在未被填滿的電子殼層時，電子的自旋磁矩未被完全抵消，原子就具有了“永久磁矩”。例如，鐵原子的原子序數(shù)為26，其電子排布使得在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個自旋反平行的電子外，其余4個軌道均只有一個電子，且這些電子的自旋方向平行，由此產(chǎn)生了總的電子自旋磁矩，使得鐵原子具有較強的磁性。在晶體材料中，原子通過一定的方式排列形成晶格結(jié)構(gòu)，原子之間存在著相互作用。當原子磁矩之間的相互作用使得它們能夠自發(fā)地沿著某個方向排列時，材料就表現(xiàn)出宏觀的磁性。這種原子磁矩之間的相互作用主要包括交換相互作用，它是一種量子力學效應，起源于電子的共有化運動和泡利不相容原理。在鐵磁性材料中，交換相互作用使得相鄰原子的磁矩傾向于平行排列，從而形成磁疇。磁疇是材料中原子磁矩取向一致的微小區(qū)域，在沒有外磁場作用時，各個磁疇的磁矩方向隨機分布，材料整體的磁性相互抵消，不表現(xiàn)出宏觀磁性。但當施加外磁場時，磁疇的磁矩會逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向，使得材料的磁性增強，直至達到飽和磁化狀態(tài)。在反鐵磁性材料中，原子磁矩之間的交換相互作用使得相鄰原子的磁矩傾向于反平行排列，整體磁矩相互抵消，宏觀上不表現(xiàn)出明顯的磁性。而在亞鐵磁性材料中，不同原子磁矩的大小或方向不同，雖存在反平行排列的情況，但不能完全抵消，仍具有一定的宏觀磁性。2.2.2主要磁性參數(shù)及意義在磁性材料的研究中，飽和磁化強度是一個至關重要的參數(shù)，它表示材料在足夠強的外磁場作用下，能夠達到的最大磁化程度。當外磁場逐漸增強時，材料中的磁疇逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向，磁化強度隨之增加，當所有磁疇都完全沿外磁場方向排列時，磁化強度達到飽和，此時的磁化強度即為飽和磁化強度。飽和磁化強度的大小反映了材料中可被磁化的原子磁矩的總數(shù)，與材料的成分、晶體結(jié)構(gòu)以及微觀組織等密切相關。對于Ⅳ族非晶半導體薄膜，若通過摻雜等方式引入磁性原子，磁性原子的種類和含量會直接影響飽和磁化強度。增加磁性原子的含量，可能會使參與磁化的原子磁矩增多，從而提高飽和磁化強度，但當摻雜濃度過高時，可能會引發(fā)原子間的相互作用變化，導致磁矩排列紊亂，反而降低飽和磁化強度。飽和磁化強度在磁性存儲領域具有重要意義，較高的飽和磁化強度意味著存儲介質(zhì)能夠存儲更多的信息，提高存儲密度。矯頑力是另一個重要的磁性參數(shù)，它定義為使已磁化的材料的磁化強度降為零所需施加的反向磁場強度。矯頑力的大小反映了材料保持磁化狀態(tài)的能力，即材料抵抗磁狀態(tài)變化的能力。在硬磁材料中，矯頑力較大，這類材料一旦被磁化，就能夠在沒有外磁場的情況下保持較強的磁性，常用于制造永磁體，如在電機、揚聲器等設備中，永磁體利用其高矯頑力保持穩(wěn)定的磁場，為設備的正常運行提供動力。而在軟磁材料中，矯頑力較小，材料容易被磁化和退磁，適用于需要頻繁改變磁狀態(tài)的場合，如變壓器的鐵芯，在交流電的作用下，鐵芯需要快速地磁化和退磁，較小的矯頑力可以降低能量損耗。對于Ⅳ族非晶半導體薄膜，矯頑力的大小受到薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷以及內(nèi)應力等因素的影響。薄膜中的缺陷和內(nèi)應力會阻礙磁疇的轉(zhuǎn)動，從而增加矯頑力；而適當?shù)耐嘶鹛幚砜梢韵糠秩毕莺蛢?nèi)應力，降低矯頑力。磁導率是描述材料在磁場中磁化難易程度的參數(shù)，它定義為磁感應強度與磁場強度的比值。磁導率反映了材料對磁場的響應能力，磁導率越高，材料在相同磁場強度下產(chǎn)生的磁感應強度越大，說明材料越容易被磁化。在電子設備中，如變壓器、電感器等磁性元件，常常需要使用高磁導率的材料，以提高磁場的傳輸效率和電磁轉(zhuǎn)換效率，降低能量損耗。磁導率還與材料的頻率特性密切相關，在高頻情況下，由于磁滯損耗、渦流損耗等因素的影響，磁導率會發(fā)生變化。對于Ⅳ族非晶半導體薄膜，研究其磁導率隨頻率的變化規(guī)律，對于其在高頻電子器件中的應用具有重要指導意義。通過調(diào)整薄膜的成分和制備工藝，可以優(yōu)化其磁導率特性，滿足不同應用場景的需求。2.3電輸運相關理論2.3.1電子輸運基本原理在材料中，電子的輸運過程是一個復雜且關鍵的物理現(xiàn)象，它涉及載流子的產(chǎn)生、散射以及遷移等多個重要環(huán)節(jié)。載流子的產(chǎn)生是電子輸運的起始點。在半導體材料中，主要的載流子為電子和空穴。以本征半導體為例，在絕對零度時，價帶被電子完全填滿，導帶為空，此時材料不導電。然而，當溫度升高或受到光照等外界激發(fā)時，價帶中的電子獲得足夠的能量，能夠克服禁帶寬度的束縛，躍遷到導帶，從而在價帶中留下一個空穴，形成電子-空穴對，這些電子和空穴即為載流子。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，由于其原子排列的長程無序性，存在著大量的缺陷態(tài)和帶尾定域態(tài)，這些額外的能級也會對載流子的產(chǎn)生產(chǎn)生影響。缺陷態(tài)可以作為電子的陷阱或發(fā)射中心，捕獲或釋放電子，從而改變載流子的濃度。散射是影響電子輸運的重要過程。電子在材料中運動時，并非是自由無阻的，而是會與各種散射中心發(fā)生相互作用，導致其運動方向和能量發(fā)生改變。主要的散射機制包括聲子散射、雜質(zhì)散射和缺陷散射等。聲子是晶格振動的量子化表現(xiàn)，當電子與晶格中的原子發(fā)生相互作用時，會激發(fā)或吸收聲子，從而改變電子的動量和能量。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，由于原子排列的無序性，晶格振動的模式更為復雜，聲子散射對電子輸運的影響也更為顯著。雜質(zhì)散射是指電子與材料中的雜質(zhì)原子發(fā)生碰撞，雜質(zhì)原子的存在會破壞晶格的周期性，使電子在散射過程中發(fā)生能量和動量的變化。缺陷散射則是由于材料中的缺陷，如空位、間隙原子、位錯等，這些缺陷會產(chǎn)生局部的電場畸變，對電子產(chǎn)生散射作用。在非晶半導體薄膜中，缺陷密度相對較高，缺陷散射對電子輸運的影響不可忽視。遷移是載流子在電場作用下的定向運動。當在材料兩端施加電場時，載流子會在電場力的作用下發(fā)生定向移動，形成電流。載流子的遷移率是描述其遷移能力的重要參數(shù)，它定義為單位電場強度下載流子的平均漂移速度。遷移率的大小與散射機制密切相關，散射越強，載流子的遷移率越低。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，由于存在多種散射機制的共同作用，載流子的遷移率通常較低，這限制了其電導率的提高。例如，在非晶硅薄膜中，載流子的遷移率比晶態(tài)硅低幾個數(shù)量級，這是由于非晶硅中的無序結(jié)構(gòu)導致了強烈的聲子散射和缺陷散射。2.3.2影響電輸運的因素材料的晶格結(jié)構(gòu)對電子電輸運性質(zhì)有著深遠的影響。在晶態(tài)半導體中，原子按規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)排列，這種周期性結(jié)構(gòu)為電子的運動提供了相對穩(wěn)定的路徑。電子在晶格中運動時，會與晶格中的原子相互作用，但由于晶格的周期性，電子可以以一定的概率穿過晶格，形成相對有序的輸運過程。而在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，原子排列呈現(xiàn)長程無序狀態(tài)，不存在明顯的晶格周期性。這種無序結(jié)構(gòu)使得電子在輸運過程中更容易受到散射，電子的運動路徑變得更加曲折和復雜。非晶結(jié)構(gòu)中的原子間距和鍵角的不規(guī)則性會導致電子波函數(shù)的散射和局域化，從而降低電子的遷移率和電導率。研究表明，通過對非晶半導體薄膜進行適當?shù)耐嘶鹛幚?，可以在一定程度上改善其原子排列的有序性，減少缺陷和無序結(jié)構(gòu)，從而提高電子的輸運性能。雜質(zhì)的存在是影響電子電輸運的另一個重要因素。當雜質(zhì)原子進入Ⅳ族非晶半導體薄膜中時，它們會引入額外的能級。這些能級可能位于禁帶中，成為電子或空穴的陷阱，捕獲載流子，從而降低載流子的濃度和遷移率。淺能級雜質(zhì)可以提供額外的載流子，例如，在非晶硅中摻入磷等施主雜質(zhì)，磷原子可以提供一個額外的電子，進入導帶成為自由載流子，從而增加材料的電導率。然而，如果雜質(zhì)濃度過高，雜質(zhì)原子之間可能會相互作用，形成雜質(zhì)團簇或復合體，這些團簇和復合體不僅會增加散射中心，還可能改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，對電輸運產(chǎn)生不利影響。此外，雜質(zhì)的分布均勻性也會影響電輸運性質(zhì)，不均勻的雜質(zhì)分布會導致局部電場的變化，增加載流子的散射幾率。溫度對Ⅳ族非晶半導體薄膜的電輸運性質(zhì)具有顯著的影響，這種影響主要通過對載流子濃度和散射機制的改變來實現(xiàn)。在低溫下，載流子主要通過定域態(tài)之間的跳躍進行傳輸。隨著溫度的升高，載流子的熱運動加劇，具有更高的能量來克服定域態(tài)之間的勢壘，從而增加了載流子的跳躍幾率，使得電導率逐漸增加。當溫度進一步升高時，晶格振動加劇，聲子散射成為主要的散射機制。聲子的數(shù)量和能量隨著溫度的升高而增加，電子與聲子的相互作用增強，導致載流子的散射幾率增大，遷移率降低，這在一定程度上會抵消由于載流子濃度增加而帶來的電導率提升，使得電導率的增長趨勢變緩甚至可能出現(xiàn)下降。在高溫下，還可能出現(xiàn)本征激發(fā)的載流子濃度急劇增加的情況，若本征載流子濃度的增加對電導率的提升作用超過了聲子散射對遷移率的降低作用，電導率又會呈現(xiàn)上升趨勢。因此，溫度與電輸運性質(zhì)之間的關系是一個復雜的綜合結(jié)果，受到多種因素的相互制約。三、實驗材料與方法3.1實驗材料本實驗選用的Ⅳ族非晶半導體薄膜材料主要為硅基（Si-based）和鍺基（Ge-based）薄膜。硅基薄膜因其在半導體產(chǎn)業(yè)中的廣泛應用以及成熟的制備工藝，成為研究非晶半導體特性的重要基礎材料。硅原子通過共價鍵相互連接，在非晶態(tài)下，雖然長程無序，但短程范圍內(nèi)仍存在類似四面體的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對薄膜的電學、光學等性能有著重要影響。在制備硅基非晶半導體薄膜時，選用高純度的硅靶材作為原料，硅靶材的純度達到99.999%以上，以減少雜質(zhì)對薄膜性能的影響。鍺基薄膜則具有獨特的電學和光學性質(zhì)，鍺原子的外層電子結(jié)構(gòu)使其在電子遷移率等方面表現(xiàn)出與硅不同的特性。鍺的原子半徑較大，電子云分布更為松散，這使得鍺基非晶半導體薄膜在某些應用場景下具有潛在的優(yōu)勢。實驗中使用的鍺靶材純度同樣保證在99.999%以上，確保了薄膜材料的高質(zhì)量起始原料。為了進一步調(diào)控Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性和電輸運性質(zhì)，引入了合適的摻雜元素。在磁性調(diào)控方面，選擇了過渡金屬元素如鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）等作為摻雜元素。這些過渡金屬元素具有未填滿的d電子殼層，能夠提供額外的磁矩，從而有望在Ⅳ族非晶半導體薄膜中誘導出磁性。例如，鐵元素的原子序數(shù)為26，其電子排布使得3d軌道上有4個未成對電子，具有較強的磁性。將鐵原子引入硅基或鍺基非晶半導體薄膜中，通過改變鐵原子的摻雜濃度，可以研究磁性與半導體特性之間的相互作用和影響規(guī)律。在電輸運性質(zhì)調(diào)控方面，選用了Ⅲ族元素硼（B）和Ⅴ族元素磷（P）等作為摻雜元素。硼原子在硅或鍺的晶格中會形成受主能級，提供空穴載流子；而磷原子則會形成施主能級，提供電子載流子。通過精確控制硼或磷的摻雜濃度，可以有效地調(diào)節(jié)Ⅳ族非晶半導體薄膜的電導率、載流子類型和遷移率等電輸運參數(shù)。在硅基非晶半導體薄膜中，適量摻入硼元素，當硼原子替代硅原子的位置時，由于硼原子外層只有3個價電子，會在價帶附近形成一個空穴束縛態(tài)，這個空穴束縛態(tài)容易接受價帶中的電子，從而產(chǎn)生空穴載流子，增加薄膜的空穴濃度，改變其電輸運性質(zhì)。三、實驗材料與方法3.2薄膜制備方法3.2.1磁控濺射法原理與過程磁控濺射法是一種在現(xiàn)代材料制備領域廣泛應用的技術(shù)，其原理基于等離子體物理和濺射效應。在磁控濺射過程中，首先在真空室內(nèi)充入一定壓力的惰性氣體，通常為氬氣（Ar）。在陰極靶材和陽極之間施加直流或射頻電場，形成輝光放電，使氬氣電離產(chǎn)生等離子體，其中包含氬離子（Ar+）和電子。當氬離子在電場作用下加速并轟擊陰極靶材時，靶材表面的原子獲得足夠的能量，克服原子間的結(jié)合力而被濺射出來，飛向襯底表面。與傳統(tǒng)的濺射方法不同，磁控濺射引入了磁場。在濺射室內(nèi)，施加與電場垂直的正交磁場，磁場的作用是約束電子的運動軌跡。電子在電場力和洛倫茲力的共同作用下，不再是簡單地直線飛向陽極，而是在靶材表面附近做螺旋狀運動，其運動路徑大大延長。這種螺旋狀運動使得電子與氬氣分子的碰撞幾率大幅增加，從而提高了氬氣的電離效率，產(chǎn)生更多的氬離子，進而增強了對靶材的濺射作用。電子在多次碰撞后，能量逐漸降低，最終以低能電子的形式到達陽極，減少了對襯底的熱損傷。在制備Ⅳ族非晶半導體薄膜時，具體的操作過程如下：首先，將經(jīng)過嚴格清洗和預處理的襯底固定在真空室內(nèi)的襯底臺上，確保襯底表面的清潔和平整，以利于薄膜的均勻生長和良好附著。將高純度的Ⅳ族半導體靶材安裝在陰極靶位上，靶材的純度直接影響薄膜的質(zhì)量和性能。然后，關閉真空室，通過真空泵系統(tǒng)將真空室抽至高真空狀態(tài)，一般真空度達到10?3Pa甚至更低，以減少雜質(zhì)氣體對薄膜的污染。接著，向真空室內(nèi)充入適量的氬氣，調(diào)節(jié)氣體流量和壓力，使其達到合適的濺射工作條件，通常氬氣壓力在0.1-1Pa范圍內(nèi)。開啟電源，施加一定的濺射功率，根據(jù)靶材的性質(zhì)和薄膜的要求，濺射功率一般在幾十瓦到幾百瓦之間。在濺射過程中，靶材表面的原子被濺射出來，沉積在襯底表面，逐漸形成薄膜。通過精確控制濺射時間，可以準確控制薄膜的厚度，實現(xiàn)對薄膜生長的精確調(diào)控。在制備過程中，還可以對一些關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，以獲得高質(zhì)量的薄膜。適當提高襯底溫度可以促進原子在襯底表面的擴散和遷移，有利于薄膜的結(jié)晶和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但過高的襯底溫度可能導致薄膜中的應力增加，甚至引起薄膜的結(jié)晶化，從而影響非晶態(tài)的特性。因此，需要根據(jù)具體的材料和實驗要求，選擇合適的襯底溫度，一般在幾十攝氏度到幾百度之間。此外，濺射功率、氣體流量等參數(shù)也會對薄膜的質(zhì)量產(chǎn)生影響，需要通過實驗進行優(yōu)化，以獲得最佳的薄膜性能。3.2.2其他制備方法簡介脈沖激光沉積（PulsedLaserDeposition，PLD）是一種利用高能量脈沖激光燒蝕靶材來制備薄膜的技術(shù)。在PLD過程中，高能量的脈沖激光束聚焦在靶材表面，在極短的時間內(nèi)，靶材吸收激光能量，使光斑處的溫度迅速升高至靶材的蒸發(fā)溫度以上，導致靶材汽化蒸發(fā)。這些被蒸發(fā)出來的物質(zhì)包括原子、分子、電子、離子和分子團簇等，它們在靶面法線方向形成高溫高密度的等離子體羽輝。等離子體羽輝中的粒子具有較高的能量，能夠克服襯底表面的能量勢壘，在襯底上沉積并逐漸生長形成薄膜。PLD技術(shù)的優(yōu)點是可以精確控制薄膜的成分，因為薄膜的成分與靶材基本一致，適用于制備復雜成分和結(jié)構(gòu)的薄膜。它的沉積速率較快，能夠在較短的時間內(nèi)制備出一定厚度的薄膜。PLD技術(shù)也存在一些局限性，如設備成本較高，薄膜的均勻性相對較差，在大面積制備薄膜時可能存在一定的困難。分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，MBE）是在超高真空條件下，將所需元素的原子或分子以分子束的形式精確噴射到加熱的襯底表面，進行外延生長形成單晶薄膜的技術(shù)。在MBE系統(tǒng)中，各元素的原子或分子束在超高真空環(huán)境中獨立控制，通過精確調(diào)節(jié)分子束的流量和襯底的溫度等參數(shù)，可以實現(xiàn)對薄膜生長的原子級精確控制。這種精確控制使得MBE能夠制備出高質(zhì)量、高精度的半導體薄膜，薄膜的晶體質(zhì)量高，缺陷密度低，界面清晰。MBE技術(shù)在制備半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱等納米結(jié)構(gòu)材料方面具有獨特的優(yōu)勢，廣泛應用于高速電子器件、光電器件等領域。然而，MBE技術(shù)的設備昂貴，制備過程復雜，生長速率較慢，產(chǎn)量較低，限制了其大規(guī)模工業(yè)應用。化學氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）是將含有薄膜元素的氣態(tài)反應物輸送到反應室，在襯底表面發(fā)生化學反應生成薄膜的方法。在CVD過程中，氣態(tài)反應物在高溫、催化劑或等離子體等作用下分解，產(chǎn)生的活性原子或分子在襯底表面吸附、反應并沉積，逐漸形成薄膜。CVD技術(shù)具有設備相對簡單，繞射性好的優(yōu)點，能夠在復雜形狀的襯底上均勻地沉積薄膜。它可以通過改變氣態(tài)反應物的種類和比例，靈活地控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)。CVD技術(shù)常用于制備各種材料的薄膜，特別是陶瓷薄膜等。但CVD過程中可能會引入雜質(zhì)，需要對反應氣體和工藝進行嚴格控制，以保證薄膜的質(zhì)量。3.3性能表征技術(shù)3.3.1結(jié)構(gòu)表征X射線衍射（XRD）是一種廣泛應用于材料結(jié)構(gòu)分析的重要技術(shù)，其原理基于X射線與晶體中原子的相互作用。當X射線照射到晶體樣品上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射作用。由于晶體中原子呈周期性排列，這些散射的X射線會發(fā)生干涉現(xiàn)象。根據(jù)布拉格定律，當滿足特定條件時，即2d\sin\theta=n\lambda（其中d為晶面間距，\theta為入射角，n為衍射級數(shù)，\lambda為X射線波長），會在特定方向上產(chǎn)生相長干涉，形成衍射峰。通過測量衍射峰的位置、強度和寬度等信息，可以獲得晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如晶格常數(shù)、晶面取向等。對于Ⅳ族非晶半導體薄膜，XRD圖譜通常呈現(xiàn)出寬化的衍射峰或“饅頭峰”，這是由于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中原子排列的長程無序性導致的。通過對XRD圖譜的分析，可以判斷薄膜是否為非晶態(tài)，以及是否存在少量的晶相雜質(zhì)。通過對衍射峰的寬化程度進行分析，還可以大致估算非晶薄膜中短程有序區(qū)域的尺寸。透射電子顯微鏡（TEM）是一種能夠?qū)Σ牧衔⒂^結(jié)構(gòu)進行高分辨率成像和分析的強大工具。在TEM分析中，高能電子束穿透薄膜樣品，與樣品中的原子相互作用，電子的散射、吸收等過程攜帶了樣品的結(jié)構(gòu)信息。通過對透過樣品的電子進行成像和分析，可以獲得薄膜的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷等信息。在觀察Ⅳ族非晶半導體薄膜時，TEM可以清晰地顯示薄膜的厚度、界面結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部的微觀缺陷，如空洞、位錯等。通過選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，可以獲得薄膜特定區(qū)域的電子衍射圖譜，進一步分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶程度。對于非晶半導體薄膜，SAED圖譜通常呈現(xiàn)出彌散的環(huán)，這與晶態(tài)材料的清晰衍射斑點形成鮮明對比，直觀地反映了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的特征。高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）還可以實現(xiàn)原子級別的成像，直接觀察原子的排列方式，對于研究非晶半導體薄膜中短程有序結(jié)構(gòu)具有重要意義。掃描電子顯微鏡（SEM）也是常用的材料表征技術(shù)之一，它利用高能電子束掃描樣品表面，通過檢測樣品表面發(fā)射的二次電子來獲得樣品的表面形貌信息。SEM具有較高的分辨率和較大的景深，能夠清晰地觀察薄膜的表面形貌、顆粒大小和分布等。在Ⅳ族非晶半導體薄膜的研究中，SEM可以用于觀察薄膜的表面平整度、粗糙度以及是否存在表面缺陷等。通過對不同制備條件下薄膜的SEM圖像進行對比分析，可以研究制備工藝對薄膜表面形貌的影響。如果在磁控濺射制備薄膜時，改變?yōu)R射功率或氣體流量，SEM圖像可能會顯示出薄膜表面顆粒大小和分布的變化，從而為優(yōu)化制備工藝提供依據(jù)。3.3.2磁性表征振動樣品磁強計（VSM）是測量薄膜磁性參數(shù)的常用設備之一，其基本原理基于電磁感應。當一個具有磁矩的樣品在探測線圈中以固定頻率和振幅作微振動時，會在探測線圈中產(chǎn)生感應電壓，該感應電壓與樣品磁矩、振幅、振動頻率成正比。通過鎖相放大器測量這一感應電壓，并在保證振幅、振動頻率不變的基礎上，即可計算出待測樣品的磁矩。在測量Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性時，將制備好的薄膜樣品固定在VSM的樣品架上，放入磁場中。逐漸改變外磁場的大小和方向，測量樣品的磁矩隨外磁場的變化關系，從而得到磁滯回線。從磁滯回線中可以獲取飽和磁化強度、矯頑力等重要磁性參數(shù)。飽和磁化強度反映了薄膜在強磁場下的最大磁化程度，而矯頑力則表示使薄膜磁化強度降為零所需的反向磁場強度。通過對不同成分和制備工藝的薄膜進行VSM測量，可以研究這些因素對薄膜磁性的影響規(guī)律。超導量子干涉儀（SQUID）是一種具有極高靈敏度的磁測量設備，其原理基于約瑟夫森效應和量子干涉現(xiàn)象。SQUID能夠測量極其微弱的磁場變化，對于研究磁性較弱的Ⅳ族非晶半導體薄膜具有重要意義。在SQUID測量中，將薄膜樣品放置在超導量子干涉儀的探測線圈附近，當樣品的磁性發(fā)生變化時，會引起探測線圈中的磁通量變化，進而導致SQUID的輸出信號發(fā)生改變。通過測量SQUID的輸出信號，可以精確地獲取樣品的磁矩、磁化率等磁性參數(shù)。SQUID不僅可以在常溫下進行測量，還能夠在低溫環(huán)境下工作，這對于研究溫度對薄膜磁性的影響提供了便利。通過在不同溫度下利用SQUID測量薄膜的磁性，可以深入了解磁性與溫度之間的關系，探索薄膜在低溫下的磁性變化規(guī)律以及可能出現(xiàn)的磁相變現(xiàn)象。3.3.3電輸運表征四探針法是測量薄膜電阻率的經(jīng)典方法之一，其原理基于歐姆定律。在四探針法中，將四根等間距的探針垂直放置在薄膜表面，通過外側(cè)兩根探針通入恒定電流I，內(nèi)側(cè)兩根探針測量薄膜上的電壓降V。根據(jù)公式\rho=\frac{\pi}{\ln2}\frac{V}{I}t（其中\(zhòng)rho為電阻率，t為薄膜厚度），可以計算出薄膜的電阻率。四探針法的優(yōu)點是能夠有效地消除接觸電阻對測量結(jié)果的影響，提高測量的準確性。在測量Ⅳ族非晶半導體薄膜的電阻率時，首先將薄膜樣品固定在測量臺上，確保探針與薄膜表面良好接觸。調(diào)節(jié)通入的電流大小，測量不同電流下的電壓降，通過多次測量取平均值，以減小測量誤差。改變溫度，測量薄膜在不同溫度下的電阻率，從而得到電阻率隨溫度的變化關系，分析薄膜的電輸運特性隨溫度的變化規(guī)律。范德堡法是另一種常用的測量薄膜電輸運性質(zhì)的方法，它可以同時測量薄膜的電阻率和霍爾系數(shù)。該方法的原理基于霍爾效應，當電流通過置于磁場中的導體或半導體時，在垂直于電流和磁場的方向上會產(chǎn)生一個橫向電場，即霍爾電場，由此產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓。在范德堡法測量中，將薄膜樣品制成任意形狀（通常為矩形或圓形），在樣品的四個角上分別引出電極。通過測量不同電極組合下的電流和電壓，利用范德堡公式進行計算，可以得到薄膜的電阻率和霍爾系數(shù)。根據(jù)霍爾系數(shù)可以進一步計算出載流子濃度和遷移率等電輸運參數(shù)。對于Ⅳ族非晶半導體薄膜，通過范德堡法測量可以全面了解其電輸運性質(zhì)，研究不同因素對載流子輸運的影響。例如，通過改變薄膜的摻雜濃度，利用范德堡法測量電輸運參數(shù)的變化，分析摻雜對載流子濃度、遷移率和電阻率的影響機制。四、Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性研究4.1薄膜磁性測量結(jié)果與分析通過振動樣品磁強計（VSM）對制備的Ⅳ族非晶半導體薄膜進行磁性測量，獲得了關鍵的磁性參數(shù)和磁滯回線數(shù)據(jù)，為深入理解薄膜的磁性特性提供了實驗依據(jù)。圖1展示了不同摻雜濃度的Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁滯回線。從圖中可以清晰地看出，所有薄膜均呈現(xiàn)出典型的鐵磁滯回線特征，表明薄膜具有鐵磁性。隨著摻雜濃度的增加，磁滯回線的形狀和大小發(fā)生了顯著變化。在低摻雜濃度下，磁滯回線相對較窄，飽和磁化強度較低，矯頑力也較小。這是因為在低摻雜時，磁性離子在薄膜中分布較為稀疏，磁性離子之間的相互作用較弱，難以形成大規(guī)模的磁有序結(jié)構(gòu)，導致飽和磁化強度不高，磁疇的翻轉(zhuǎn)相對容易，矯頑力較小。當摻雜濃度逐漸增加時，磁滯回線逐漸變寬，飽和磁化強度明顯增大，矯頑力也有所提高。這是由于隨著磁性離子濃度的增加，磁性離子之間的距離減小，相互作用增強，更容易形成穩(wěn)定的磁疇結(jié)構(gòu)，從而提高了飽和磁化強度。同時，磁疇的穩(wěn)定性增強，使得磁疇翻轉(zhuǎn)需要更大的磁場，矯頑力增大。當摻雜濃度超過一定值后，飽和磁化強度反而出現(xiàn)下降趨勢。這可能是因為過高的摻雜濃度導致磁性離子之間的相互作用過于強烈，形成了反鐵磁耦合或其他復雜的磁結(jié)構(gòu)，破壞了鐵磁有序，從而降低了飽和磁化強度。圖2給出了薄膜的飽和磁化強度隨摻雜濃度的變化關系。從圖中可以看出，飽和磁化強度隨著摻雜濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在某一摻雜濃度處達到最大值。根據(jù)理論分析，飽和磁化強度與磁性離子的磁矩以及它們之間的相互作用密切相關。在低摻雜濃度階段，隨著磁性離子的增加，參與磁化的磁矩增多，且磁性離子之間的鐵磁相互作用逐漸增強，使得飽和磁化強度不斷增大。當摻雜濃度達到一定值時，磁性離子之間的相互作用達到最佳狀態(tài)，飽和磁化強度達到最大值。此后，繼續(xù)增加摻雜濃度，由于磁性離子之間的反鐵磁耦合或其他不利因素的影響，導致有效磁矩減小，飽和磁化強度下降。通過與理論計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)與基于平均場理論的計算結(jié)果在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。這可能是由于理論計算中忽略了一些實際因素，如薄膜中的缺陷、雜質(zhì)以及原子的無序排列等，這些因素會對磁性離子之間的相互作用產(chǎn)生影響，從而導致實驗值與理論值的偏差。薄膜的矯頑力也受到摻雜濃度的顯著影響。圖3展示了矯頑力隨摻雜濃度的變化曲線?？梢钥闯?，矯頑力隨著摻雜濃度的增加逐漸增大，在高摻雜濃度區(qū)域，矯頑力的增長趨勢變緩。矯頑力的大小主要取決于磁疇壁的移動和磁疇的轉(zhuǎn)動。在低摻雜濃度時，薄膜中的磁疇壁相對較容易移動，因為磁性離子之間的相互作用較弱，磁疇壁的釘扎效應不明顯，所以矯頑力較小。隨著摻雜濃度的增加，磁性離子之間的相互作用增強，磁疇壁受到更多的釘扎作用，移動變得困難，需要更大的磁場才能使磁疇壁移動，從而導致矯頑力增大。在高摻雜濃度下，雖然磁性離子之間的相互作用很強，但由于磁疇結(jié)構(gòu)已經(jīng)相對穩(wěn)定，進一步增加摻雜濃度對磁疇壁的釘扎作用影響較小，因此矯頑力的增長趨勢變緩。與其他研究結(jié)果相比，本實驗中薄膜的矯頑力在相同摻雜體系下處于合理范圍，但由于制備工藝和薄膜成分的差異，具體數(shù)值可能會有所不同。通過對Ⅳ族非晶半導體薄膜磁性測量結(jié)果的分析，揭示了摻雜濃度對薄膜磁性的重要影響規(guī)律，為進一步優(yōu)化薄膜的磁性性能提供了實驗基礎和理論依據(jù)。4.2影響薄膜磁性的因素4.2.1成分與摻雜的影響薄膜的成分和摻雜情況對其磁性有著至關重要的影響。不同的元素成分會導致薄膜內(nèi)部原子間的相互作用發(fā)生變化，從而改變磁性。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，硅（Si）和鍺（Ge）等主要元素的比例不同，會影響薄膜的電子結(jié)構(gòu)和化學鍵性質(zhì)。當硅含量較高時，硅原子之間的共價鍵作用較強，會對磁性產(chǎn)生一定的影響。硅原子的電子云分布和軌道雜化方式會影響載流子的分布和運動，進而影響磁性離子之間的交換相互作用。研究表明，在硅基非晶半導體薄膜中，隨著硅含量的增加，薄膜的飽和磁化強度可能會呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為適量的硅可以提供合適的電子環(huán)境，增強磁性離子之間的鐵磁相互作用，提高飽和磁化強度；但當硅含量過高時，過多的硅原子可能會稀釋磁性離子的濃度，削弱磁性離子之間的相互作用，導致飽和磁化強度下降。摻雜是調(diào)控薄膜磁性的重要手段。通過引入磁性或非磁性雜質(zhì)，可以顯著改變薄膜的磁性。當在Ⅳ族非晶半導體薄膜中摻入過渡金屬元素，如鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）等，這些過渡金屬元素具有未填滿的d電子殼層，能夠提供額外的磁矩，從而誘導出薄膜的磁性。隨著鐵摻雜濃度的增加，薄膜的飽和磁化強度會逐漸增大。這是因為鐵原子的磁矩與薄膜中的其他原子磁矩相互作用，形成了更多的磁有序結(jié)構(gòu)，使得參與磁化的磁矩增多。但當鐵摻雜濃度過高時，可能會出現(xiàn)反鐵磁耦合或其他復雜的磁相互作用，導致飽和磁化強度下降。非磁性雜質(zhì)的摻雜也會對薄膜磁性產(chǎn)生影響。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中摻入硼（B）或磷（P）等非磁性雜質(zhì)，雖然它們本身不具有磁性，但會改變薄膜的電子結(jié)構(gòu)和晶體缺陷，進而間接影響磁性。硼原子的摻入可能會引入空穴，改變載流子的濃度和分布，影響磁性離子之間的交換相互作用，從而對薄膜的磁性產(chǎn)生影響。4.2.2制備工藝的作用制備工藝參數(shù)對Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性有著顯著的影響。在磁控濺射法制備薄膜的過程中，濺射功率是一個關鍵參數(shù)。濺射功率決定了靶材表面原子被濺射出來的能量和數(shù)量。當濺射功率較低時，靶材原子的濺射速率較慢，到達襯底表面的原子能量較低，原子在襯底表面的遷移能力較弱，薄膜的生長可能不夠致密，導致內(nèi)部缺陷較多。這些缺陷會影響磁疇的形成和排列，使得薄膜的飽和磁化強度降低，矯頑力增大。隨著濺射功率的增加，靶材原子的濺射速率加快，到達襯底表面的原子能量較高，原子在襯底表面的遷移能力增強，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，缺陷減少。這有利于磁疇的形成和有序排列，使得薄膜的飽和磁化強度增大，矯頑力減小。當濺射功率過高時，可能會導致靶材表面過熱，原子濺射過程變得不穩(wěn)定，薄膜的質(zhì)量反而下降，磁性也會受到負面影響。濺射氣壓也是影響薄膜磁性的重要因素。濺射氣壓影響著濺射原子與氣體分子的碰撞頻率和平均自由程。在較低的濺射氣壓下，濺射原子與氣體分子的碰撞次數(shù)較少，平均自由程較長，濺射原子能夠以較高的能量到達襯底表面。這有利于原子在襯底表面的擴散和遷移，使得薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，磁疇的形成和排列更加有序，從而提高薄膜的飽和磁化強度，降低矯頑力。如果濺射氣壓過低，等離子體的穩(wěn)定性較差，濺射過程難以維持，會影響薄膜的均勻性和質(zhì)量。當濺射氣壓較高時，濺射原子與氣體分子的碰撞次數(shù)增多，平均自由程縮短，濺射原子在到達襯底表面之前能量損失較大。這會導致薄膜的結(jié)晶質(zhì)量下降，內(nèi)部缺陷增多，磁疇的形成和排列受到干擾，使得薄膜的飽和磁化強度降低，矯頑力增大。襯底溫度對薄膜磁性的影響也不容忽視。襯底溫度影響著原子在襯底表面的擴散和結(jié)晶過程。在較低的襯底溫度下，原子在襯底表面的擴散能力較弱，薄膜的生長主要是通過原子的逐層堆積實現(xiàn)的，容易形成較多的缺陷和無序結(jié)構(gòu)。這些缺陷和無序結(jié)構(gòu)會阻礙磁疇的形成和轉(zhuǎn)動，導致薄膜的飽和磁化強度降低，矯頑力增大。隨著襯底溫度的升高，原子在襯底表面的擴散能力增強，原子能夠更好地排列，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，缺陷減少。這有利于磁疇的形成和有序排列，使得薄膜的飽和磁化強度增大，矯頑力減小。但當襯底溫度過高時，可能會導致薄膜中的原子發(fā)生過度擴散，甚至出現(xiàn)結(jié)晶化現(xiàn)象，破壞非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，從而對薄膜的磁性產(chǎn)生不利影響。4.2.3外界條件的影響溫度是影響Ⅳ族非晶半導體薄膜磁性的重要外界條件之一。隨著溫度的升高，薄膜的磁性會發(fā)生顯著變化。在低溫下，薄膜中的原子熱運動較弱，磁疇結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，磁性主要由原子磁矩的固有取向和相互作用決定。當溫度逐漸升高時，原子的熱運動加劇，磁疇壁的移動和磁疇的轉(zhuǎn)動變得更加容易。這會導致薄膜的矯頑力降低，因為較小的外磁場就可以使磁疇發(fā)生轉(zhuǎn)動。隨著溫度的進一步升高，原子的熱運動能量不斷增加，可能會破壞磁疇的有序排列，使得薄膜的飽和磁化強度逐漸下降。當溫度升高到接近或超過薄膜的居里溫度時，磁疇結(jié)構(gòu)完全被破壞，薄膜失去鐵磁性，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判誀顟B(tài)。在這個過程中，溫度對磁性的影響是一個動態(tài)的過程，涉及到原子的熱運動、磁疇的變化以及磁性相互作用的改變。外加磁場對薄膜磁性也有著重要的作用。當在Ⅳ族非晶半導體薄膜上施加外加磁場時，薄膜中的磁疇會受到磁場力的作用。在弱磁場下，磁疇會逐漸轉(zhuǎn)向外加磁場的方向，使得薄膜的磁化強度逐漸增大。隨著外加磁場的增強，越來越多的磁疇轉(zhuǎn)向磁場方向，薄膜的磁化強度進一步增大，直至達到飽和磁化狀態(tài)。外加磁場還可以影響薄膜的磁滯回線形狀。當外加磁場反向時，磁疇需要克服一定的能量壁壘才能反向轉(zhuǎn)動，這就導致了磁滯現(xiàn)象的出現(xiàn)，形成磁滯回線。外加磁場的大小和變化速率會影響磁滯回線的寬度和形狀?？焖僮兓耐饧哟艌隹赡軙е麓女牭捻憫獪螅沟么艤鼐€變寬，能量損耗增加。此外，外加磁場還可以與薄膜中的磁性雜質(zhì)或缺陷相互作用，影響磁疇的運動和排列，從而對薄膜的磁性產(chǎn)生影響。4.3典型Ⅳ族非晶半導體薄膜磁性案例分析以Mn_xSi_{(1-x)}薄膜這一典型的Ⅳ族非晶半導體薄膜體系為例，對其磁性特征和形成原因進行深入剖析，能夠更直觀地理解Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性特性。Mn_xSi_{(1-x)}薄膜的磁性呈現(xiàn)出復雜而獨特的特征。通過振動樣品磁強計（VSM）測量發(fā)現(xiàn)，當x在一定范圍內(nèi)變化時，薄膜表現(xiàn)出明顯的鐵磁性。在x=0.1時，磁滯回線顯示出飽和磁化強度M_s約為30emu/cm^3，矯頑力H_c約為50Oe。隨著Mn含量的增加，飽和磁化強度先逐漸增大，在x=0.2左右達到最大值，隨后開始下降。矯頑力則隨著Mn含量的增加而逐漸增大，在高Mn含量區(qū)域，矯頑力的增長趨勢變緩。從磁性形成原因來看，Mn元素的引入是關鍵因素。Mn原子具有未填滿的3d電子殼層，提供了額外的磁矩。在Mn_xSi_{(1-x)}薄膜中，Mn原子與Si原子之間存在著復雜的相互作用。Mn-Mn原子之間通過Si原子的間接作用，形成了磁相互作用網(wǎng)絡。當Mn含量較低時，Mn原子在Si基質(zhì)中相對分散，Mn-Mn之間的相互作用較弱，但隨著Mn含量的增加，Mn原子逐漸聚集，形成更多的磁耦合對，使得參與磁化的磁矩增多，從而導致飽和磁化強度增大。當Mn含量過高時，Mn原子之間的距離過近，可能會出現(xiàn)反鐵磁耦合，破壞了鐵磁有序結(jié)構(gòu)，導致飽和磁化強度下降。薄膜的微觀結(jié)構(gòu)對磁性也有著重要影響。Mn_xSi_{(1-x)}薄膜的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中存在著大量的短程有序區(qū)域和缺陷。這些短程有序區(qū)域內(nèi)，Mn原子與周圍Si原子的鍵合方式和原子排列會影響磁矩的取向和相互作用。缺陷的存在會干擾磁疇的形成和排列，從而影響薄膜的磁性。研究發(fā)現(xiàn)，通過對薄膜進行適當?shù)耐嘶鹛幚?，可以改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，減少缺陷數(shù)量，使得磁疇的排列更加有序，從而提高薄膜的飽和磁化強度，降低矯頑力。在退火溫度為300^{\circ}C時，薄膜的飽和磁化強度提高了約20\%，矯頑力降低了約30\%。通過對Mn_xSi_{(1-x)}薄膜的案例分析，深入了解了Ⅳ族非晶半導體薄膜磁性的復雜性和影響因素，為進一步研究和優(yōu)化此類薄膜的磁性性能提供了重要的參考和借鑒。五、Ⅳ族非晶半導體薄膜的電輸運研究5.1薄膜電輸運測量結(jié)果與分析采用四探針法和范德堡法對制備的Ⅳ族非晶半導體薄膜的電輸運性質(zhì)進行了系統(tǒng)測量，得到了電阻率、霍爾系數(shù)等關鍵電輸運參數(shù)，為深入分析薄膜的電輸運特性提供了數(shù)據(jù)支持。圖4展示了不同摻雜濃度的Ⅳ族非晶半導體薄膜在室溫下的電阻率變化情況。從圖中可以清晰地看出，隨著摻雜濃度的增加，薄膜的電阻率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。在低摻雜濃度階段，當引入適量的摻雜元素時，如Ⅲ族元素硼（B）或Ⅴ族元素磷（P），它們會在薄膜中引入額外的載流子。硼原子作為受主雜質(zhì)，會在價帶附近形成受主能級，接受價帶中的電子，從而產(chǎn)生空穴載流子；磷原子作為施主雜質(zhì)，會在導帶附近形成施主能級，釋放電子成為自由載流子。這些額外的載流子增加了薄膜中的載流子濃度，使得電導率增大，電阻率相應減小。隨著摻雜濃度的進一步增加，雜質(zhì)原子之間的相互作用逐漸增強，可能會形成雜質(zhì)團簇或復合體。這些雜質(zhì)團簇和復合體不僅會增加散射中心，使載流子在輸運過程中更容易與雜質(zhì)發(fā)生碰撞，散射幾率增大，還可能改變薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，導致載流子的遷移率降低，從而使得電阻率增大。通過范德堡法測量得到的霍爾系數(shù)數(shù)據(jù)，可以進一步分析薄膜中載流子的類型和濃度。圖5給出了霍爾系數(shù)隨摻雜濃度的變化關系。當霍爾系數(shù)為正時，表明薄膜中的主要載流子為空穴，屬于P型半導體；當霍爾系數(shù)為負時，則表明主要載流子為電子，屬于N型半導體。從圖中可以看出，在本實驗中，隨著硼摻雜濃度的增加，霍爾系數(shù)逐漸增大且保持為正，說明薄膜呈現(xiàn)出典型的P型導電特性，且空穴濃度隨著硼摻雜濃度的增加而增加。這是因為硼原子的摻雜引入了更多的空穴載流子，使得空穴成為主導載流子。當摻雜磷元素時，霍爾系數(shù)為負，且隨著磷摻雜濃度的增加，霍爾系數(shù)的絕對值逐漸增大，表明薄膜呈現(xiàn)N型導電特性，電子濃度隨著磷摻雜濃度的增加而增加。根據(jù)霍爾系數(shù)和電阻率的測量結(jié)果，可以計算出薄膜中載流子的遷移率。載流子遷移率反映了載流子在電場作用下的遷移能力，是衡量半導體材料電輸運性能的重要參數(shù)之一。圖6展示了載流子遷移率隨摻雜濃度的變化曲線。在低摻雜濃度下，載流子遷移率相對較高，隨著摻雜濃度的增加，遷移率逐漸降低。這是由于在低摻雜時，雜質(zhì)散射相對較弱，載流子能夠較為自由地在薄膜中遷移。隨著摻雜濃度的增加，雜質(zhì)原子數(shù)量增多，雜質(zhì)散射增強，載流子在輸運過程中受到的阻礙增大，遷移率降低。薄膜中的缺陷和晶格振動等因素也會對載流子遷移率產(chǎn)生影響。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的缺陷會增加載流子的散射幾率，降低遷移率；晶格振動的加劇會導致聲子散射增強，同樣不利于載流子的遷移。通過對Ⅳ族非晶半導體薄膜電輸運測量結(jié)果的分析，揭示了摻雜濃度對薄膜電阻率、載流子類型、濃度和遷移率等電輸運參數(shù)的影響規(guī)律，為進一步理解薄膜的電輸運機制和優(yōu)化其電輸運性能提供了實驗依據(jù)。5.2影響薄膜電輸運的因素5.2.1晶格結(jié)構(gòu)與缺陷的影響非晶態(tài)晶格結(jié)構(gòu)的無序性是影響Ⅳ族非晶半導體薄膜電輸運的關鍵因素之一。在晶態(tài)半導體中，原子呈規(guī)則的周期性排列，電子在晶格中運動時，其波函數(shù)可以用布洛赫波來描述，具有明確的能量和動量。電子在這樣的有序晶格中傳輸時，散射幾率相對較低，能夠較為順利地通過晶格，從而表現(xiàn)出較好的電輸運性能。而在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，原子排列的長程無序?qū)е铝司Ц裰芷谛缘娜笔?，電子的運動受到了極大的干擾。由于原子間距和鍵角的不規(guī)則性，電子波函數(shù)在傳播過程中會發(fā)生強烈的散射，電子的運動路徑變得曲折復雜，難以形成有效的定向傳輸。這種無序結(jié)構(gòu)使得電子更容易與原子發(fā)生碰撞，散射幾率大幅增加，從而導致電子的遷移率降低，電導率下降。研究表明，通過對非晶半導體薄膜進行適當?shù)耐嘶鹛幚恚梢栽谝欢ǔ潭壬细纳圃优帕械挠行蛐?，減少晶格的無序度。在退火過程中，原子獲得足夠的能量進行擴散和重新排列，使得短程有序區(qū)域擴大，缺陷減少，從而降低電子的散射幾率，提高電子的遷移率和電導率。缺陷在Ⅳ族非晶半導體薄膜中普遍存在，它們對電輸運性質(zhì)產(chǎn)生著重要影響。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中常見的缺陷包括空位、間隙原子、懸掛鍵等。這些缺陷會在薄膜中引入額外的能級，成為電子的陷阱或散射中心?？瘴皇侵妇Ц裰腥鄙僭拥奈恢?，間隙原子則是位于晶格間隙中的原子，它們都會破壞晶格的完整性，導致電子在輸運過程中發(fā)生散射。懸掛鍵是指原子的價電子沒有完全參與成鍵，形成了未配對的電子，這些懸掛鍵具有較高的活性，容易捕獲電子，從而影響載流子的濃度和遷移率。研究發(fā)現(xiàn)，缺陷密度與薄膜的電導率之間存在著密切的關系。當缺陷密度增加時，電子與缺陷的散射幾率增大，電導率降低。通過優(yōu)化制備工藝，如控制濺射功率、濺射氣壓、襯底溫度等參數(shù)，可以減少薄膜中的缺陷密度，從而改善電輸運性質(zhì)。在磁控濺射制備薄膜時，適當降低濺射功率和氣壓，提高襯底溫度，可以使原子在襯底表面的遷移更加充分，減少缺陷的產(chǎn)生，提高薄膜的質(zhì)量和電輸運性能。5.2.2雜質(zhì)與摻雜的作用雜質(zhì)原子在Ⅳ族非晶半導體薄膜中的存在會顯著改變其能帶結(jié)構(gòu)和電輸運性質(zhì)。當雜質(zhì)原子進入薄膜晶格時，由于其原子大小、電子結(jié)構(gòu)與主體原子不同，會在晶格中引入局部的應力和電荷分布變化，從而影響電子的運動。雜質(zhì)原子可能會引入額外的能級，這些能級可能位于禁帶中，成為電子或空穴的陷阱。當電子或空穴與這些陷阱能級相互作用時，會被捕獲，從而降低載流子的濃度和遷移率，進而影響電導率。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，一些重金屬雜質(zhì)原子，如銅（Cu）、鐵（Fe）等，它們的電子結(jié)構(gòu)復雜，容易在禁帶中引入深能級陷阱，對電輸運產(chǎn)生較大的負面影響。雜質(zhì)原子還可能與主體原子發(fā)生化學反應，形成新的化合物或相，進一步改變薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。在非晶硅薄膜中，氧雜質(zhì)可能會與硅原子反應形成氧化硅相，這些相的存在會破壞薄膜的均勻性，增加電子的散射幾率，降低電導率。摻雜是調(diào)控Ⅳ族非晶半導體薄膜電輸運性質(zhì)的重要手段。通過向薄膜中引入特定的摻雜元素，可以精確地控制薄膜的載流子類型和濃度，從而實現(xiàn)對電輸運性質(zhì)的有效調(diào)控。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，常用的摻雜元素包括Ⅲ族元素硼（B）和Ⅴ族元素磷（P）等。當在薄膜中摻入硼元素時，硼原子會替代部分硅或鍺原子的位置。由于硼原子外層只有3個價電子，比硅或鍺原子少一個，它會在價帶附近形成一個空穴束縛態(tài)，這個空穴束縛態(tài)容易接受價帶中的電子，從而產(chǎn)生空穴載流子，使薄膜呈現(xiàn)P型導電特性。隨著硼摻雜濃度的增加，空穴載流子的濃度也會增加，電導率相應增大。當摻雜磷元素時，磷原子外層有5個價電子，比硅或鍺原子多一個。磷原子替代硅或鍺原子后，會在導帶附近形成一個施主能級，這個能級上的電子容易被激發(fā)到導帶中，成為自由電子載流子，使薄膜呈現(xiàn)N型導電特性。隨著磷摻雜濃度的增加，電子載流子的濃度增加，電導率也會增大。但當摻雜濃度過高時，雜質(zhì)原子之間可能會相互作用，形成雜質(zhì)團簇或復合體，這些團簇和復合體不僅會增加散射中心，還可能改變薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，導致載流子的遷移率降低，從而對電輸運產(chǎn)生不利影響。5.2.3溫度的影響溫度對Ⅳ族非晶半導體薄膜電輸運性質(zhì)的影響是一個復雜的過程，涉及到載流子的產(chǎn)生、散射以及遷移等多個方面。在低溫范圍內(nèi)，載流子的產(chǎn)生主要源于雜質(zhì)電離。薄膜中的雜質(zhì)原子在低溫下會逐漸電離，釋放出載流子。隨著溫度的升高，雜質(zhì)電離程度增加，載流子濃度逐漸增大。在這個階段，載流子的散射主要以雜質(zhì)散射為主。由于雜質(zhì)原子的存在，載流子在輸運過程中會與雜質(zhì)原子發(fā)生碰撞，散射幾率較大。隨著溫度的升高，載流子的熱運動加劇，具有更高的能量來克服雜質(zhì)散射的阻礙，使得載流子的遷移率逐漸增大。雜質(zhì)散射對遷移率的影響仍然較大，載流子遷移率的增加幅度相對較小。由于載流子濃度的增加幅度大于遷移率的減小幅度，電導率總體上呈現(xiàn)上升趨勢。當溫度進一步升高時，晶格振動加劇，聲子散射逐漸成為主要的散射機制。聲子是晶格振動的量子化表現(xiàn)，隨著溫度的升高，晶格振動的幅度和頻率增加，聲子的數(shù)量和能量也隨之增加。載流子在輸運過程中與聲子的相互作用增強，散射幾率增大，導致載流子的遷移率降低。此時，雖然本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度也在增加，但聲子散射對遷移率的降低作用逐漸超過了載流子濃度增加對電導率的提升作用，使得電導率的增長趨勢變緩。當溫度升高到一定程度時，電導率可能會達到最大值，隨后開始下降。在高溫下，本征激發(fā)成為載流子產(chǎn)生的主要方式。由于溫度足夠高，價帶中的電子獲得足夠的能量，能夠克服禁帶寬度的束縛，躍遷到導帶，形成大量的電子-空穴對，載流子濃度急劇增加。高溫下晶格振動非常劇烈，聲子散射極為強烈，載流子的遷移率急劇下降。如果本征載流子濃度的增加對電導率的提升作用超過了聲子散射對遷移率的降低作用，電導率會再次呈現(xiàn)上升趨勢。但如果聲子散射過于強烈，即使本征載流子濃度大幅增加，電導率仍然可能下降。因此，溫度對Ⅳ族非晶半導體薄膜電輸運性質(zhì)的影響是多種因素相互競爭和制約的結(jié)果，不同溫度區(qū)間內(nèi)，各種因素的主導作用不同，導致電輸運性質(zhì)呈現(xiàn)出復雜的變化規(guī)律。5.3典型Ⅳ族非晶半導體薄膜電輸運案例分析以(Fe_{0.33}Co_{0.33})_{0.33}Ge_{0.67}薄膜為例，深入剖析其電輸運特性及影響因素，能夠為理解Ⅳ族非晶半導體薄膜的電輸運行為提供具體而詳實的依據(jù)。(Fe_{0.33}Co_{0.33})_{0.33}Ge_{0.67}薄膜展現(xiàn)出獨特的電輸運特性。在室溫下，通過四探針法測量得到其電阻率約為5\times10^{-4}\Omega\cdotm。隨著溫度的變化，薄膜的電阻率呈現(xiàn)出復雜的變化趨勢。在低溫階段，電阻率隨著溫度的升高而逐漸降低。這主要是因為在低溫下，載流子的散射主要以雜質(zhì)散射為主。隨著溫度的升高，載流子的熱運動加劇，具有更高的能量來克服雜質(zhì)散射的阻礙，使得載流子的遷移率逐漸增大。由于雜質(zhì)散射對遷移率的影響仍然較大，載流子遷移率的增加幅度相對較小。由于載流子濃度的增加幅度大于遷移率的減小幅度，電導率總體上呈現(xiàn)上升趨勢，電阻率相應降低。當溫度升高到一定程度后，電阻率開始隨著溫度的升高而增大。這是因為此時晶格振動加劇，聲子散射逐漸成為主要的散射機制。隨著溫度的升高，晶格振動的幅度和頻率增加，聲子的數(shù)量和能量也隨之增加。載流子在輸運過程中與聲子的相互作用增強，散射幾率增大，導致載流子的遷移率降低。此時，雖然本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度也在增加，但聲子散射對遷移率的降低作用逐漸超過了載流子濃度增加對電導率的提升作用，使得電導率下降，電阻率增大。薄膜的微觀結(jié)構(gòu)對其電輸運性質(zhì)有著重要影響。(Fe_{0.33}Co_{0.33})_{0.33}Ge_{0.67}薄膜的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中存在著大量的短程有序區(qū)域和缺陷。這些短程有序區(qū)域內(nèi)，原子的排列和鍵合方式會影響載流子的傳輸路徑和散射幾率。缺陷的存在會增加載流子的散射中心，使得載流子在輸運過程中更容易與缺陷發(fā)生碰撞，從而降低載流子的遷移率和電導率。通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，薄膜中的缺陷主要包括空位、間隙原子和懸掛鍵等。這些缺陷的存在會導致局部電場的畸變，對載流子的運動產(chǎn)生干擾。研究還發(fā)現(xiàn)，薄膜中的短程有序區(qū)域尺寸和分布也會影響電輸運性質(zhì)。當短程有序區(qū)域尺寸較大且分布較為均勻時，載流子在其中的傳輸相對較為順暢，電導率較高；反之，當短程有序區(qū)域尺寸較小且分布不均勻時，載流子的散射幾率增大，電導率降低。雜質(zhì)和摻雜是影響(Fe_{0.33}Co_{0.33})_{0.33}Ge_{0.67}薄膜電輸運性質(zhì)的關鍵因素。在該薄膜中，F(xiàn)e和Co的摻雜不僅引入了磁性，還對電輸運性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。Fe和Co原子的電子結(jié)構(gòu)與Ge原子不同，它們的摻入改變了薄膜的能帶結(jié)構(gòu)和電子濃度分布。Fe和Co原子的3d電子與Ge原子的電子相互作用，可能會形成新的能級或改變原有能級的位置。這些能級的變化會影響載流子的躍遷和散射過程，從而改變電輸運性質(zhì)。Fe和Co原子還可能會與Ge原子形成合金相，這些合金相的存在也會對電輸運性質(zhì)產(chǎn)生影響。如果合金相的導電性與Ge基體不同，會導致載流子在界面處發(fā)生散射，降低電導率。薄膜中可能存在的其他雜質(zhì)，如氧、碳等，也會對電輸運性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。這些雜質(zhì)原子可能會引入額外的能級，成為電子或空穴的陷阱，降低載流子的濃度和遷移率。通過對(Fe_{0.33}Co_{0.33})_{0.33}Ge_{0.67}薄膜電輸運特性的案例分析，深入了解了Ⅳ族非晶半導體薄膜電輸運性質(zhì)的復雜性和影響因素，為進一步優(yōu)化此類薄膜的電輸運性能提供了重要的參考和指導。六、磁性與電輸運的關系研究6.1磁性對電輸運的影響機制磁矩在Ⅳ族非晶半導體薄膜中對電輸運過程產(chǎn)生著關鍵影響，其作用主要通過自旋相關散射機制得以體現(xiàn)。在具有磁性的Ⅳ族非晶半導體薄膜中，由于磁矩的存在，電子的自旋與磁矩之間會發(fā)生相互作用。當電子在薄膜中輸運時，其自旋方向與磁矩方向的相對取向會影響電子的散射幾率。對于自旋向上和自旋向下的電子，它們與磁矩的相互作用不同，導致在輸運過程中受到的散射程度也不同。這種自旋相關散射會使得電子的輸運路徑變得更加復雜，從而改變薄膜的電導率。當自旋向上的電子與磁矩方向平行時，其散射幾率可能相對較低，能夠較為順利地通過薄膜；而當自旋向上的電子與磁矩方向反平行時，散射幾率會增大，電子在輸運過程中更容易與其他粒子發(fā)生碰撞，導致輸運受阻，電導率降低。這種自旋相關散射效應在一些磁性摻雜的Ⅳ族非晶半導體薄膜中表現(xiàn)得尤為明顯，如在Fe摻雜的非晶硅薄膜中，隨著Fe含量的增加，磁矩的數(shù)量和強度發(fā)生變化，自旋相關散射作用增強，薄膜的電導率會逐漸降低。自旋-軌道相互作用是另一個影響電輸運的重要磁性因素。在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，電子的自旋和軌道運動之間存在著相互耦合的關系。這種相互作用會導致電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，進而影響電子的輸運特性。自旋-軌道相互作用會使得電子的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生自旋劈裂現(xiàn)象。在自旋-軌道相互作用較強的情況下，電子的自旋和軌道角動量之間的耦合作用會使得不同自旋方向的電子具有不同的能量和動量，從而影響它們在薄膜中的輸運行為。這種自旋劈裂會導致電子的散射機制發(fā)生變化，增加了電子散射的復雜性。在一些具有較高原子序數(shù)的Ⅳ族非晶半導體薄膜中，如鍺基薄膜，由于原子的核電荷數(shù)較大，自旋-軌道相互作用相對較強，對電輸運的影響更為顯著。自旋-軌道相互作用還可能導致一些新奇的量子輸運現(xiàn)象，如自旋霍爾效應等。在自旋霍爾效應中，當電流通過具有自旋-軌道相互作用的薄膜時，會在垂直于電流方向上產(chǎn)生自旋積累，從而導致橫向的自旋電流。這種現(xiàn)象進一步說明了自旋-軌道相互作用對電輸運性質(zhì)的重要影響。磁性雜質(zhì)的存在也會對Ⅳ族非晶半導體薄膜的電輸運產(chǎn)生顯著影響。當磁性雜質(zhì)摻入薄膜中時，它們會引入額外的磁矩和能級。這些磁性雜質(zhì)的磁矩會與薄膜中的其他磁矩以及電子的自旋發(fā)生相互作用，從而改變電子的散射路徑和散射幾率。磁性雜質(zhì)的能級可能會與薄膜的導帶或價帶發(fā)生耦合，影響電子的躍遷過程，進而改變載流子的濃度和遷移率。在一些過渡金屬摻雜的Ⅳ族非晶半導體薄膜中，過渡金屬原子作為磁性雜質(zhì)，其未填滿的d電子殼層會提供額外的磁矩。這些磁矩會與周圍的電子發(fā)生自旋-自旋相互作用，導致電子的散射增強。磁性雜質(zhì)還可能形成雜質(zhì)能級，這些能級可以捕獲或釋放電子，從而影響載流子的濃度和分布。如果磁性雜質(zhì)形成的能級位于禁帶中，且靠近導帶或價帶，就會對電子的躍遷產(chǎn)生影響，改變薄膜的電輸運性質(zhì)。此外，磁性雜質(zhì)之間的相互作用也可能形成復雜的磁結(jié)構(gòu)，進一步影響電子的輸運過程。6.2電輸運對磁性的反饋作用在Ⅳ族非晶半導體薄膜中，電輸運過程對磁性的反饋作用是一個復雜而有趣的物理現(xiàn)象，涉及到電場、電流與磁性結(jié)構(gòu)和磁性能之間的相互作用。電輸運過程中產(chǎn)生的電場對薄膜的磁性結(jié)構(gòu)有著重要影響。當在Ⅳ族非晶半導體薄膜中施加電場時，電場會與薄膜中的電荷分布相互作用，導致電荷的重新分布。這種電荷的重新分布會產(chǎn)生附加的內(nèi)電場，內(nèi)電場與薄膜中磁矩之間的相互作用會影響磁矩的取向和排列。在一些具有鐵電-鐵磁耦合的Ⅳ族非晶半導體薄膜中，電場可以通過鐵電疇的翻轉(zhuǎn)來改變內(nèi)電場的方向，進而影響磁矩的取向。當電場方向改變時，鐵電疇發(fā)生翻轉(zhuǎn)，內(nèi)電場的方向也隨之改變，磁矩在電場力的作用下會發(fā)生轉(zhuǎn)動，使得薄膜的磁性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種電場對磁性結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用可以用于實現(xiàn)對薄膜磁性的非易失性調(diào)控，在磁性存儲器件中具有潛在的應用價值。電流在Ⅳ族非晶半導體薄膜中傳輸時，也會對磁性產(chǎn)生顯著的影響。電流與磁矩之間的相互作用會導致自旋轉(zhuǎn)移矩（STT）效應的產(chǎn)生。當自旋極化的電流通過薄膜時，電流中的電子會與磁矩發(fā)生相互作用，將其自旋角動量傳遞給