In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體：局域結(jié)構(gòu)對磁與輸運(yùn)性能的影響探究一、引言1.1In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體概述稀磁半導(dǎo)體（DilutedMagneticSemiconductors,DMS）是指在非磁性半導(dǎo)體中，部分原子被過渡金屬元素等磁性離子取代后形成的具有磁性的半導(dǎo)體材料。這類材料因其獨(dú)特地融合了半導(dǎo)體的電學(xué)特性與磁性材料的磁學(xué)特性，即能同時對電子的電荷和自旋兩種自由度加以利用，在自旋電子學(xué)等諸多前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景，吸引了科研工作者的廣泛關(guān)注。In?O?作為一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下其禁帶寬度約為3.6-3.9eV，具有較高的電子遷移率和良好的光學(xué)透明性，在透明導(dǎo)電電極、氣體傳感器、發(fā)光二極管等光電器件領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。當(dāng)In?O?中部分In原子被磁性離子（如Cr、Fe、Co、Ni等過渡金屬離子）摻雜形成In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體時，材料不僅保留了In?O?原有的優(yōu)異電學(xué)和光學(xué)性能，還引入了磁性，從而具備了一些新的特性和潛在應(yīng)用價值。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體有望用于制造自旋注入器件、自旋邏輯器件和磁隨機(jī)存儲器等。自旋注入器件可實(shí)現(xiàn)電子自旋極化的高效注入，為自旋電子學(xué)器件提供自旋極化電流；自旋邏輯器件利用電子自旋狀態(tài)表示邏輯信息，有望突破傳統(tǒng)電子器件基于電荷傳輸和處理的局限性，實(shí)現(xiàn)更低功耗、更高速度的數(shù)據(jù)處理；磁隨機(jī)存儲器則以磁性材料的不同磁狀態(tài)來存儲信息，具有非易失性、高速讀寫和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的獨(dú)特性能為其在磁隨機(jī)存儲器中的應(yīng)用提供了可能。在傳感器領(lǐng)域，In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體對某些氣體分子具有特殊的磁敏和氣敏響應(yīng)特性。一方面，其磁性會受到外界氣體環(huán)境的影響，通過檢測磁性的變化可實(shí)現(xiàn)對特定氣體的高靈敏度檢測；另一方面，基于其半導(dǎo)體特性，在與氣體分子相互作用時，材料的電學(xué)性能（如電阻）也會發(fā)生改變，進(jìn)一步增強(qiáng)了對氣體檢測的靈敏度和選擇性。這種磁敏和氣敏的協(xié)同效應(yīng)，使其在高靈敏度、高選擇性氣體傳感器的開發(fā)中具有重要意義，可用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)檢測和工業(yè)過程控制等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對有害氣體、生物分子等的快速、準(zhǔn)確檢測。此外，In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體在其他領(lǐng)域也展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。在光電器件中，其獨(dú)特的磁光特性可用于制造磁光調(diào)制器、磁光開關(guān)等，實(shí)現(xiàn)光信號的磁控調(diào)制和切換；在量子比特研究中，其自旋相關(guān)特性也為量子計算領(lǐng)域提供了新的研究方向和材料選擇。然而，盡管In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體具有眾多潛在應(yīng)用前景，但目前對其性能的研究和理解仍存在諸多不足。例如，摻雜磁性離子在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)、磁性離子之間以及磁性離子與基質(zhì)之間的相互作用機(jī)制尚不明確，這嚴(yán)重影響了對材料磁性起源和本質(zhì)的深入認(rèn)識；材料的磁性能和輸運(yùn)性能往往受到制備工藝、摻雜濃度、缺陷等多種因素的復(fù)雜影響，如何精確調(diào)控這些因素以實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化和穩(wěn)定，仍然是亟待解決的關(guān)鍵問題。因此，深入研究In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的局域結(jié)構(gòu)與磁、輸運(yùn)性能，對于揭示其內(nèi)在物理機(jī)制、優(yōu)化材料性能以及推動其在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。1.2研究背景與目的近年來，In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體由于其在自旋電子學(xué)、傳感器等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，吸引了眾多科研工作者的深入研究。在制備工藝方面，磁控濺射法、溶膠-凝膠法、分子束外延法等多種方法被廣泛用于制備In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體材料和薄膜。其中，磁控濺射法能夠精確控制薄膜的厚度和成分，制備的薄膜具有良好的均勻性和附著力，在制備高質(zhì)量In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜中應(yīng)用較為廣泛；溶膠-凝膠法具有工藝簡單、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適合制備粉體材料和大面積薄膜；分子束外延法可以在原子尺度上精確控制薄膜的生長，能夠制備出高質(zhì)量、低缺陷的薄膜，但設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量較低。通過這些方法，研究者們制備出了不同結(jié)構(gòu)和性能的In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體，并對其基本性能進(jìn)行了大量研究。在結(jié)構(gòu)研究方面，利用X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等技術(shù)，對材料的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌進(jìn)行了表征。XRD可確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)以及是否存在雜質(zhì)相；HRTEM能夠直接觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸、晶界和缺陷等。研究發(fā)現(xiàn)，摻雜磁性離子會引起In?O?晶格參數(shù)的變化，當(dāng)磁性離子半徑與In3?半徑差異較大時，會導(dǎo)致晶格畸變，影響材料的性能。在某些Cr摻雜In?O?薄膜中，隨著Cr摻雜濃度的增加，晶格參數(shù)會發(fā)生明顯變化，這是由于Cr3?離子半徑（約0.615?）與In3?離子半徑（約0.80?）不同，Cr3?取代In3?后引起晶格畸變。此外，還觀察到摻雜可能導(dǎo)致材料的結(jié)晶度發(fā)生變化，適當(dāng)?shù)膿诫s濃度和制備工藝可以提高材料的結(jié)晶度，而過高的摻雜濃度或不合適的制備條件則可能導(dǎo)致結(jié)晶度下降，出現(xiàn)更多的晶格缺陷。在磁性研究方面，主要通過超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）、振動樣品磁強(qiáng)計（VSM）等設(shè)備來測量材料的磁性能，如飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力和居里溫度等。SQUID具有極高的靈敏度，能夠精確測量微弱的磁性信號；VSM則適用于測量較大樣品的磁性能，操作相對簡便。研究表明，In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的磁性與摻雜離子種類、濃度以及制備工藝密切相關(guān)。一些研究報道了Fe摻雜In?O?薄膜具有室溫鐵磁性，且飽和磁化強(qiáng)度隨著Fe摻雜濃度的增加而增加；但也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻雜濃度過高時，磁性離子之間會形成反鐵磁相互作用，導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度下降。此外，材料中的缺陷（如氧空位、陽離子空位等）對磁性也有重要影響，氧空位可以作為磁性中心，增強(qiáng)材料的磁性，而過多的陽離子空位可能會破壞磁性離子之間的相互作用，降低磁性。在輸運(yùn)性能研究方面，采用霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)、四探針法等手段來測量材料的電學(xué)性能，如載流子濃度、遷移率和電阻率等?；魻栃?yīng)測試系統(tǒng)可以通過測量霍爾電壓來確定載流子的類型和濃度；四探針法則用于測量材料的電阻率。研究發(fā)現(xiàn)，In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的電學(xué)性能受到摻雜和缺陷的顯著影響。摻雜磁性離子可以改變材料的載流子濃度和遷移率，從而影響電阻率。在Co摻雜In?O?薄膜中，隨著Co摻雜濃度的增加，載流子濃度先增加后減少，這是因?yàn)檫m量的Co摻雜可以引入額外的載流子，但過高的摻雜濃度會導(dǎo)致缺陷增多，散射增強(qiáng)，載流子遷移率降低，進(jìn)而使電阻率發(fā)生變化。同時，缺陷也會對載流子的輸運(yùn)產(chǎn)生散射作用，影響材料的電學(xué)性能。盡管取得了上述進(jìn)展，但目前對于In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體中摻雜磁性離子的局域結(jié)構(gòu)以及自旋相關(guān)的磁、輸運(yùn)性質(zhì)等重要問題仍有待進(jìn)一步澄清。例如，雖然知道摻雜磁性離子會進(jìn)入In?O?晶格，但對于磁性離子在晶格中的具體占位情況、與周圍原子的配位關(guān)系以及形成的局域結(jié)構(gòu)，仍缺乏深入、準(zhǔn)確的認(rèn)識。這導(dǎo)致難以從微觀層面理解磁性離子之間以及磁性離子與基質(zhì)之間的相互作用機(jī)制，進(jìn)而影響對材料磁性起源和本質(zhì)的深入認(rèn)識。在磁性能方面，雖然已經(jīng)觀察到材料的磁性與多種因素有關(guān)，但這些因素之間的相互關(guān)系和影響機(jī)制尚未完全明確。不同研究中報道的磁性來源存在爭議，有的認(rèn)為是載流子介導(dǎo)的RKKY相互作用，有的則認(rèn)為是與缺陷相關(guān)的束縛磁極子極化等。這種不確定性使得難以通過有效手段精確調(diào)控材料的磁性能，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。在輸運(yùn)性能方面，雖然了解到摻雜和缺陷對電學(xué)性能有影響，但具體的影響規(guī)律和微觀機(jī)制仍不清晰。特別是在自旋相關(guān)的輸運(yùn)性質(zhì)方面，如自旋極化、自旋弛豫等過程，目前的研究還相對較少，缺乏系統(tǒng)深入的理解。這限制了在自旋電子學(xué)器件應(yīng)用中，對材料電學(xué)性能進(jìn)行精確調(diào)控和優(yōu)化的能力。鑒于此，本研究旨在通過磁控濺射法制備In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜，并運(yùn)用多種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)表征與性能測試方法，系統(tǒng)深入地研究其局域結(jié)構(gòu)與磁、輸運(yùn)性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。通過同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）等技術(shù)，精確確定摻雜磁性離子在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)信息，包括離子占位、配位環(huán)境等；結(jié)合磁性能測試（SQUID）和輸運(yùn)性能測試（Hall效應(yīng)、電阻率-溫度曲線），深入分析局域結(jié)構(gòu)對磁、輸運(yùn)性能的影響機(jī)制，揭示自旋相關(guān)的磁、輸運(yùn)性質(zhì)的內(nèi)在物理本質(zhì)，為In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體材料的性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供堅實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)為了深入研究In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的局域結(jié)構(gòu)與磁、輸運(yùn)性能，本研究采用了多種實(shí)驗(yàn)制備方法和表征測試技術(shù)，并提出了具有創(chuàng)新性的研究思路。在實(shí)驗(yàn)制備方面，采用磁控濺射法在SiO?/Si(100)基片上沉積In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜。磁控濺射法具有鍍膜速率高、濺射效率高、濺射溫度低、薄膜附著力強(qiáng)、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確控制薄膜的成分和厚度，制備出高質(zhì)量的薄膜樣品。通過調(diào)節(jié)濺射功率、濺射氣壓、濺射時間和基片溫度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，制備出不同摻雜種類（如Cr單摻雜、Fe/Cu共摻雜、Co/Cu共摻雜）和摻雜濃度的In?O?稀磁半導(dǎo)體薄膜，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)與性能研究提供多樣化的樣品。在表征測試技術(shù)上，運(yùn)用多種先進(jìn)手段對樣品進(jìn)行全面分析。利用X射線衍射（XRD）技術(shù)確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)以及是否存在雜質(zhì)相。XRD通過測量X射線在晶體中的衍射角度和強(qiáng)度，依據(jù)布拉格方程來分析晶體結(jié)構(gòu)信息，能夠快速、準(zhǔn)確地判斷樣品的物相組成和結(jié)晶質(zhì)量。采用X射線光電子能譜（XPS）分析樣品表面元素的化學(xué)態(tài)和原子濃度。XPS利用光電子的結(jié)合能來確定元素的化學(xué)狀態(tài)，對于研究摻雜離子在In?O?晶格中的存在形式以及材料表面的化學(xué)環(huán)境具有重要意義。借助同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）精確確定摻雜磁性離子在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)信息，包括離子占位、配位環(huán)境等。XAFS技術(shù)能夠提供原子尺度的結(jié)構(gòu)信息，對于深入理解磁性離子與基質(zhì)之間的相互作用機(jī)制至關(guān)重要。通過Hall效應(yīng)測試系統(tǒng)測量樣品的載流子濃度、遷移率和電阻率等電學(xué)性能參數(shù)，以研究材料的輸運(yùn)性質(zhì)。利用磁性能測試設(shè)備（如超導(dǎo)量子干涉儀SQUID）測量樣品的飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力和居里溫度等磁性能參數(shù)，全面表征材料的磁性特征。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是首次開展多元素共摻雜In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的研究。通過系統(tǒng)研究Fe/Cu、Co/Cu等共摻雜體系，探究不同元素之間的協(xié)同作用對材料局域結(jié)構(gòu)、磁性能和輸運(yùn)性能的影響，為材料性能的優(yōu)化提供新的途徑。在Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜的研究中，發(fā)現(xiàn)Fe以Fe2?和Fe3?離子取代In3?位進(jìn)入晶格，而摻雜Cu以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在，未進(jìn)入晶格。這種獨(dú)特的摻雜狀態(tài)對材料的磁性能和輸運(yùn)性能產(chǎn)生了復(fù)雜的影響，為進(jìn)一步調(diào)控材料性能提供了新的思路。二是嘗試將先進(jìn)的理論模型和計算方法應(yīng)用于In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的研究。結(jié)合第一性原理計算，從原子尺度上深入理解摻雜磁性離子的局域結(jié)構(gòu)以及磁性離子之間、磁性離子與基質(zhì)之間的相互作用機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供理論支持和微觀解釋。通過第一性原理計算，可以模擬不同摻雜濃度和局域結(jié)構(gòu)下材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性能，預(yù)測材料的性能變化趨勢，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究的開展。三是在實(shí)驗(yàn)研究中，通過精確控制制備工藝參數(shù)和引入新的制備工藝，探索制備具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的新方法。在磁控濺射過程中，通過精確控制濺射功率、氣壓和時間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對薄膜成分和結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，制備出具有特定局域結(jié)構(gòu)和性能的薄膜樣品。同時，嘗試引入脈沖磁控濺射等新的制備工藝，以改善薄膜的質(zhì)量和性能，為In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的制備提供新的技術(shù)手段。二、In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論2.1In?O?晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)In?O?晶體屬于立方晶系，空間群為Ia-3（206），其晶體結(jié)構(gòu)可以看作是由氧離子（O2?）構(gòu)成面心立方密堆積（FCC），而銦離子（In3?）則占據(jù)其中部分八面體和四面體間隙位置。在這種結(jié)構(gòu)中，每個In3?離子周圍有六個O2?離子配位，形成八面體結(jié)構(gòu)；同時，部分O2?離子也與四個In3?離子配位，形成四面體結(jié)構(gòu)。這種復(fù)雜的配位結(jié)構(gòu)賦予了In?O?一些獨(dú)特的物理性質(zhì)。從電學(xué)性質(zhì)來看，In?O?是一種本征n型半導(dǎo)體。這是因?yàn)樵谄渚w結(jié)構(gòu)中，存在著一定數(shù)量的氧空位（VO），這些氧空位可以作為施主能級，向?qū)峁╇娮?，從而使In?O?具有一定的導(dǎo)電性。根據(jù)缺陷化學(xué)理論，氧空位的形成可以用以下方程表示：2O_{O}\rightarrowO_{2}(g)+V_{O}^{2\cdot}+2e^{\prime}，其中O_{O}表示晶格中的氧原子，V_{O}^{2\cdot}表示帶兩個正電荷的氧空位，e^{\prime}表示電子。在熱平衡狀態(tài)下，氧空位的濃度與溫度和氧分壓有關(guān)，可通過質(zhì)量作用定律進(jìn)行描述。在高溫和低氧分壓條件下，氧空位濃度會增加，從而提高In?O?的載流子濃度和電導(dǎo)率。In?O?的電子遷移率相對較高，室溫下可達(dá)10-30cm2/(V?s)，這使得它在一些需要快速電子傳輸?shù)膽?yīng)用中具有優(yōu)勢，如高速電子器件和高頻電路等。電子遷移率受到多種因素的影響，包括晶格散射、雜質(zhì)散射和缺陷散射等。在高質(zhì)量的In?O?晶體中，晶格散射是主要的散射機(jī)制，其散射強(qiáng)度與溫度有關(guān)，溫度升高，晶格振動加劇，晶格散射增強(qiáng)，電子遷移率降低。雜質(zhì)和缺陷的存在會引入額外的散射中心，進(jìn)一步降低電子遷移率。當(dāng)In?O?中存在雜質(zhì)離子時，雜質(zhì)離子與電子之間的庫侖相互作用會導(dǎo)致雜質(zhì)散射，使電子遷移率下降；而氧空位等缺陷也會對電子產(chǎn)生散射作用，影響電子的輸運(yùn)。在光學(xué)性質(zhì)方面，In?O?具有寬帶隙特性，室溫下其禁帶寬度約為3.6-3.9eV，這使得它在可見光范圍內(nèi)具有較高的透過率，通?？蛇_(dá)80%以上，因此被廣泛應(yīng)用于透明導(dǎo)電電極等光電器件中。In?O?的光學(xué)吸收主要源于電子從價帶向?qū)У能S遷，當(dāng)光子能量大于其禁帶寬度時，會發(fā)生本征吸收，導(dǎo)致光的透過率下降。在紫外光區(qū)域，由于光子能量較高，能夠激發(fā)電子躍遷，In?O?會表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收。此外，In?O?還具有一定的發(fā)光特性。在受到激發(fā)時，電子從導(dǎo)帶躍遷回價帶，會以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。其發(fā)光機(jī)制較為復(fù)雜，涉及到雜質(zhì)能級、缺陷能級以及電子-空穴復(fù)合等過程。一些研究表明，In?O?中的氧空位和雜質(zhì)等缺陷可以作為發(fā)光中心，在特定波長下產(chǎn)生發(fā)光。在某些摻雜的In?O?材料中，雜質(zhì)離子的引入會形成新的能級，電子在這些能級之間的躍遷也會導(dǎo)致發(fā)光，通過控制摻雜種類和濃度，可以調(diào)節(jié)In?O?的發(fā)光波長和強(qiáng)度。2.2稀磁半導(dǎo)體的磁性理論稀磁半導(dǎo)體的磁性起源理論是理解這類材料獨(dú)特磁學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵，目前主要存在幾種不同的理論模型，每種模型都從不同角度對磁性起源進(jìn)行解釋，且各自具有一定的適用范圍和局限性。RKKY（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）機(jī)制是一種重要的磁性起源理論，該理論認(rèn)為在稀磁半導(dǎo)體中，磁性離子之間的相互作用是通過傳導(dǎo)電子作為媒介來實(shí)現(xiàn)的。具體來說，磁性離子的局域磁矩會對周圍的傳導(dǎo)電子產(chǎn)生自旋極化作用，使得傳導(dǎo)電子的自旋分布在磁性離子周圍形成周期性振蕩的極化云。當(dāng)兩個磁性離子之間的距離合適時，它們各自的極化云相互重疊，從而產(chǎn)生間接的磁相互作用。這種相互作用的強(qiáng)度和性質(zhì)與傳導(dǎo)電子的濃度、電子的有效質(zhì)量以及磁性離子之間的距離等因素密切相關(guān)。在一些載流子濃度較高的稀磁半導(dǎo)體體系中，RKKY機(jī)制能夠較好地解釋磁性離子之間的長程相互作用以及材料所表現(xiàn)出的鐵磁性。在某些n型In?O?稀磁半導(dǎo)體中，適量的載流子可以介導(dǎo)磁性離子之間的相互作用，使得材料呈現(xiàn)出室溫鐵磁性，且飽和磁化強(qiáng)度與載流子濃度和磁性離子濃度之間存在一定的關(guān)系。然而，RKKY機(jī)制也存在一定的局限性。它通常適用于載流子濃度較高且分布較為均勻的體系，對于載流子濃度很低或者存在大量缺陷、雜質(zhì)導(dǎo)致載流子局域化的稀磁半導(dǎo)體，RKKY機(jī)制的解釋能力較弱。當(dāng)材料中存在較多的氧空位、陽離子空位等缺陷時，這些缺陷會捕獲載流子，導(dǎo)致載流子的局域化，使得RKKY相互作用難以有效發(fā)生。此外，RKKY機(jī)制對磁性離子之間的距離較為敏感，當(dāng)磁性離子間距超過一定范圍時，相互作用會迅速減弱，這也限制了其在一些體系中的應(yīng)用。束縛磁極子模型則從缺陷的角度來解釋稀磁半導(dǎo)體的磁性起源。該模型認(rèn)為，在稀磁半導(dǎo)體中，缺陷（如氧空位、陽離子空位等）起著關(guān)鍵作用。以氧空位為例，當(dāng)氧原子從晶格中缺失時，會在周圍形成一個帶正電的中心，這個中心能夠吸引電子，形成束縛磁極子。多個束縛磁極子之間可以發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生鐵磁性。在一些氧化物稀磁半導(dǎo)體中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氧空位的濃度與材料的磁性密切相關(guān)，增加氧空位的數(shù)量可以增強(qiáng)材料的磁性，這與束縛磁極子模型的預(yù)測相符。在Cr摻雜In?O?薄膜中，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)，與氧空位有關(guān)的缺陷所產(chǎn)生的束縛磁極子模型可以很好地解釋樣品的鐵磁性。束縛磁極子模型雖然能夠成功解釋一些與缺陷相關(guān)的磁性現(xiàn)象，但也并非完美無缺。它難以解釋在一些缺陷濃度較低的樣品中仍然存在明顯磁性的情況。對于不同類型缺陷之間的相互作用以及它們對磁性的綜合影響，束縛磁極子模型的描述還不夠完善。而且，目前對于束縛磁極子的形成機(jī)制和其在材料中的具體行為，還缺乏深入的微觀理解，需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究。除了上述兩種主要理論外，還有其他一些理論模型，如雙交換作用模型等。雙交換作用模型主要適用于具有特定電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物體系，它強(qiáng)調(diào)磁性離子之間通過中間的氧離子進(jìn)行電子的轉(zhuǎn)移和交換，從而產(chǎn)生強(qiáng)的鐵磁相互作用。在一些具有混合價態(tài)過渡金屬離子的稀磁半導(dǎo)體中，雙交換作用可能對磁性起到重要貢獻(xiàn)。然而，雙交換作用模型的適用范圍相對較窄，只適用于特定的晶體結(jié)構(gòu)和電子組態(tài)，對于大多數(shù)稀磁半導(dǎo)體體系并不具有普遍適用性。稀磁半導(dǎo)體的磁性起源是一個復(fù)雜的問題，不同的理論模型從不同的角度對其進(jìn)行解釋，且各自具有一定的合理性和局限性。在研究In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體的磁性時，需要綜合考慮材料的制備工藝、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、載流子濃度等多種因素，選擇合適的理論模型來深入分析和理解其磁性起源和本質(zhì)，為進(jìn)一步優(yōu)化材料的磁性能提供理論基礎(chǔ)。2.3半導(dǎo)體輸運(yùn)理論基礎(chǔ)在半導(dǎo)體中，載流子的輸運(yùn)過程對其電學(xué)性能起著決定性作用，這一過程涉及載流子在電場、溫度梯度等外界因素作用下的運(yùn)動，以及它們與晶格、雜質(zhì)和缺陷等相互作用導(dǎo)致的散射過程。當(dāng)半導(dǎo)體處于電場中時，載流子會在電場力的作用下做定向運(yùn)動，這種運(yùn)動被稱為漂移運(yùn)動。漂移速度vd與電場強(qiáng)度E成正比，比例系數(shù)即為遷移率μ，表達(dá)式為vd=μE。遷移率是衡量載流子在電場中漂移難易程度的重要參數(shù)，其大小受到多種因素的影響。晶格振動是影響遷移率的重要因素之一，在較高溫度下，晶格原子的熱振動加劇，形成的格波會對載流子產(chǎn)生散射作用，這種散射稱為聲學(xué)波散射和光學(xué)波散射。聲學(xué)波散射是由于晶格振動引起的原子位移，導(dǎo)致晶格勢場的周期性變化，從而對載流子產(chǎn)生散射；光學(xué)波散射則是由于晶格中不同原子的相對振動，產(chǎn)生了電偶極矩的變化，與載流子相互作用而引起散射。隨著溫度升高，晶格振動加劇，散射增強(qiáng)，遷移率降低。雜質(zhì)原子的存在也會對載流子產(chǎn)生散射，雜質(zhì)散射的強(qiáng)度與雜質(zhì)濃度有關(guān)，雜質(zhì)濃度越高，散射幾率越大，遷移率越低。當(dāng)半導(dǎo)體中存在電離雜質(zhì)時，載流子會受到雜質(zhì)離子的庫侖力作用，發(fā)生散射，從而降低遷移率。此外，缺陷（如空位、位錯等）也會成為散射中心，影響載流子的遷移率。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率σ是描述其導(dǎo)電能力的重要物理量，它與載流子濃度n、遷移率μ以及載流子所帶電荷量q之間存在如下關(guān)系：σ=nqμ。在本征半導(dǎo)體中，載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生，電子濃度ne和空穴濃度nh相等，此時電導(dǎo)率為本征電導(dǎo)率σi，可表示為σi=nieμe+nhqμh，其中μe和μh分別為電子和空穴的遷移率。由于本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度較低，本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般較小。當(dāng)半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)形成非本征半導(dǎo)體時，雜質(zhì)電離會提供額外的載流子，使載流子濃度大幅增加，從而顯著提高電導(dǎo)率。在n型半導(dǎo)體中，主要的載流子是電子，電導(dǎo)率主要由電子濃度和電子遷移率決定；而在p型半導(dǎo)體中，空穴是主要載流子，電導(dǎo)率主要取決于空穴濃度和空穴遷移率。除了漂移運(yùn)動外，當(dāng)半導(dǎo)體中存在載流子濃度梯度時，載流子還會從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，這種運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動可以用擴(kuò)散電流密度來描述，對于電子，擴(kuò)散電流密度Je=-qDedn/dx，對于空穴，擴(kuò)散電流密度Jp=qDpdp/dx，其中De和Dp分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，dn/dx和dp/dx分別為電子和空穴的濃度梯度。擴(kuò)散系數(shù)與遷移率之間存在愛因斯坦關(guān)系，對于電子，De=(kBT/q)μe，對于空穴，Dp=(kBT/q)μh，其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。這一關(guān)系表明，擴(kuò)散系數(shù)與遷移率密切相關(guān)，它們都受到載流子散射等因素的影響。在一些特殊的半導(dǎo)體材料或特定條件下，載流子的輸運(yùn)機(jī)制會更加復(fù)雜。當(dāng)載流子的能量較低且局域化程度較高時，可變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制可能起主導(dǎo)作用，這一機(jī)制由Mott提出。在低溫下，相鄰雜質(zhì)能級間的能量差可能遠(yuǎn)大于熱能kBT，熱激發(fā)導(dǎo)電過程不利于發(fā)生。此時，費(fèi)米能量以下的電子可以選擇跳躍到稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的（處于費(fèi)米能級以上的）未填滿但是能量相對接近的雜質(zhì)能級，從而產(chǎn)生導(dǎo)電。然而，雜質(zhì)電子若要跳躍到相隔幾個最近鄰距離之外的未填滿雜質(zhì)能級，兩處局域波函數(shù)的重疊量會迅速減小，不利于量子隧穿行為。Mott的可變程躍遷理論考慮了在尋找更遠(yuǎn)處能量差更小的空能階之際，又不至于完全失去局域波函數(shù)重疊的情況下，所得到的最大躍遷機(jī)率。該理論假設(shè)雜質(zhì)能態(tài)密度DM為一常數(shù)，通過分析電子躍遷過程中的熱激發(fā)和量子隧穿兩個過程，得到了電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。在某些摻雜半導(dǎo)體中，當(dāng)溫度較低時，實(shí)驗(yàn)測量得到的電阻率與溫度的關(guān)系符合Mott可變程躍遷模型的預(yù)測，表明在這種情況下，可變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制對載流子輸運(yùn)起到了關(guān)鍵作用。三、實(shí)驗(yàn)制備與表征方法3.1In?O?稀磁半導(dǎo)體薄膜制備本研究采用磁控濺射法制備In?O?稀磁半導(dǎo)體薄膜，該方法具有沉積速率高、基片溫升低、薄膜成分和厚度易于精確控制等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足制備高質(zhì)量In?O?稀磁半導(dǎo)體薄膜的要求。具體制備步驟如下：靶材選擇：選用純度為99.99%的In?O?陶瓷靶材作為基礎(chǔ)靶材，對于Cr單摻雜樣品，采用Cr含量為1at%、3at%、5at%等不同比例的In?O?-Cr復(fù)合靶材；對于Fe/Cu共摻雜樣品，采用Fe和Cu總含量一定（如5at%），F(xiàn)e與Cu比例不同（如1:4、2:3、3:2、4:1）的In?O?-Fe-Cu復(fù)合靶材；對于Co/Cu共摻雜樣品，同理采用Co和Cu總含量一定（如5at%），Co與Cu比例不同（如1:4、2:3、3:2、4:1）的In?O?-Co-Cu復(fù)合靶材。這些復(fù)合靶材通過高溫?zé)Y(jié)等工藝制備而成，以確保元素分布的均勻性?；幚恚哼x用SiO?/Si(100)基片，首先將基片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中，在超聲波清洗器中分別清洗15分鐘，以去除基片表面的油污、雜質(zhì)和顆粒等污染物。清洗完畢后，用高純氮?dú)獯蹈苫砻娴乃?，然后將基片放入真空烘箱中，?50℃下烘烤2小時，進(jìn)一步去除基片中的水分和揮發(fā)性雜質(zhì)，提高基片與薄膜之間的附著力。濺射參數(shù)設(shè)置：將處理好的基片裝入磁控濺射鍍膜機(jī)的樣品臺上，關(guān)閉真空室門，啟動機(jī)械泵和分子泵對真空室進(jìn)行抽氣，使本底真空度達(dá)到5×10??Pa以下。向真空室內(nèi)通入高純氬氣作為濺射氣體，調(diào)節(jié)氬氣流量和濺射氣壓，使濺射氣壓穩(wěn)定在0.5Pa左右。設(shè)置濺射功率，對于In?O?靶材，濺射功率一般設(shè)置為100-150W；對于復(fù)合靶材，根據(jù)摻雜元素的種類和含量適當(dāng)調(diào)整濺射功率，以保證薄膜成分的準(zhǔn)確性。在濺射過程中，基片溫度保持在300℃，通過加熱裝置進(jìn)行精確控制，以促進(jìn)薄膜的結(jié)晶和生長，提高薄膜的質(zhì)量。濺射時間根據(jù)所需薄膜的厚度進(jìn)行調(diào)整，一般為60-120分鐘，以獲得厚度在200-500nm范圍內(nèi)的薄膜。在開始濺射前，先預(yù)濺射5分鐘，以去除靶材表面的氧化物和雜質(zhì)，確保濺射過程的穩(wěn)定性和薄膜的純度。預(yù)濺射時，關(guān)閉基片擋板，使濺射粒子不沉積在基片上；預(yù)濺射結(jié)束后，打開基片擋板，開始正式濺射沉積薄膜。在濺射過程中，實(shí)時監(jiān)測濺射功率、濺射氣壓、基片溫度等參數(shù)，確保這些參數(shù)的穩(wěn)定性，以保證薄膜制備過程的一致性和重復(fù)性。3.2結(jié)構(gòu)表征方法為了深入研究In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)特征，本研究采用了多種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，包括X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）和同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）等，這些技術(shù)從不同角度為我們提供了關(guān)于薄膜晶體結(jié)構(gòu)、元素價態(tài)以及局域原子結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。X射線衍射（XRD）是一種用于分析材料晶體結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)，其原理基于布拉格定律。當(dāng)X射線照射到晶體材料上時，晶體中的原子平面會對X射線產(chǎn)生散射作用。若滿足布拉格定律2dsinθ=nλ（其中n為衍射級數(shù)，λ為X射線波長，d為晶面間距，θ為入射角），則會產(chǎn)生相長干涉，在特定角度出現(xiàn)衍射峰。通過測量衍射峰的位置（2θ值）和強(qiáng)度，可以計算出晶面間距d，進(jìn)而確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)以及是否存在雜質(zhì)相。在本研究中，使用XRD對制備的In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行分析，通過將測得的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)In?O?晶體的衍射圖譜進(jìn)行對比，可判斷薄膜是否保持了In?O?的晶體結(jié)構(gòu)。若摻雜導(dǎo)致晶格常數(shù)發(fā)生變化，衍射峰的位置也會相應(yīng)偏移。通過XRD圖譜，還能檢測薄膜中是否存在雜質(zhì)相，如某些磁性離子可能會形成獨(dú)立的氧化物相，在XRD圖譜上表現(xiàn)為額外的衍射峰。X射線光電子能譜（XPS）是一種表面敏感技術(shù)，主要用于分析材料表面元素的化學(xué)態(tài)和原子濃度。其原理是利用X射線照射樣品表面，使表面原子內(nèi)層電子被激發(fā)發(fā)射出來，這些光電子具有特定的能量。通過測量光電子的動能，可以確定電子的結(jié)合能，而結(jié)合能與元素的化學(xué)狀態(tài)密切相關(guān)。不同元素的原子具有不同的電子結(jié)合能，同一元素在不同化學(xué)環(huán)境下（如不同價態(tài)）其結(jié)合能也會有所差異。在In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜的研究中，XPS可用于確定摻雜磁性離子在薄膜表面的化學(xué)態(tài)。對于Fe摻雜的In?O?薄膜，通過XPS分析可以確定Fe是以Fe2?還是Fe3?的形式存在于薄膜中，以及它們的相對含量。XPS還能分析薄膜表面的其他元素（如In、O等）的化學(xué)態(tài)，以及由于制備工藝或環(huán)境因素可能引入的雜質(zhì)元素。通過對各元素原子濃度的分析，可了解薄膜的化學(xué)組成是否符合預(yù)期，以及不同元素在薄膜表面的分布情況。同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）是一種能夠提供原子尺度局域結(jié)構(gòu)信息的先進(jìn)技術(shù)，它包括X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）。XANES主要反映吸收原子近鄰原子的種類、配位數(shù)以及原子間距等信息，而EXAFS則對吸收原子周圍配位原子的距離、種類和配位數(shù)更為敏感。當(dāng)X射線照射樣品時，原子吸收X射線能量后，內(nèi)層電子被激發(fā)到高能態(tài)，產(chǎn)生吸收邊。在吸收邊附近及更高能量區(qū)域，吸收系數(shù)會出現(xiàn)振蕩，這些振蕩包含了豐富的局域結(jié)構(gòu)信息。在研究In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜時，XAFS可精確確定摻雜磁性離子在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)信息。通過XAFS分析，可以確定磁性離子在晶格中的占位情況，是占據(jù)In3?的晶格位置還是形成間隙原子；還能確定磁性離子與周圍O原子的配位環(huán)境，如配位數(shù)、鍵長等。這些信息對于深入理解磁性離子與基質(zhì)之間的相互作用機(jī)制，以及解釋材料的磁性能和輸運(yùn)性能具有重要意義。3.3磁性能與輸運(yùn)性能測試為了全面了解In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜的性能，對其磁性能和輸運(yùn)性能進(jìn)行了精確測試。磁性能測試采用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID），該儀器基于約瑟夫森效應(yīng)，能夠極其靈敏地檢測微弱的磁場變化，從而精確測量樣品的磁性能參數(shù)。將制備好的In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜樣品切割成合適的尺寸，通常為幾毫米見方，以適應(yīng)SQUID的樣品要求。將樣品固定在樣品桿上，確保樣品處于磁場的均勻區(qū)域。在測量過程中，先對樣品進(jìn)行零場冷卻（ZFC）處理，即將樣品在零磁場下冷卻到低溫（如5K），然后在一定的外加磁場（如100Oe）下測量其磁化強(qiáng)度隨溫度的變化，得到零場冷卻磁化曲線。接著，對樣品進(jìn)行場冷卻（FC）處理，即在相同的外加磁場下將樣品從高溫冷卻到低溫，再測量磁化強(qiáng)度隨溫度的變化，得到場冷卻磁化曲線。通過分析這兩條曲線，可以獲得樣品的居里溫度（Tc）等磁性能參數(shù)。居里溫度是磁性材料從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)的臨界溫度，在居里溫度以上，材料的磁性會發(fā)生顯著變化。在測量樣品的磁滯回線時，通過改變外加磁場的大小和方向，從負(fù)的飽和磁場逐漸增加到正的飽和磁場，再從正的飽和磁場減小到負(fù)的飽和磁場，測量在不同磁場下樣品的磁化強(qiáng)度。磁滯回線能夠反映樣品的磁性特征，如飽和磁化強(qiáng)度（Ms）、矯頑力（Hc）等。飽和磁化強(qiáng)度是樣品在足夠大的外加磁場下達(dá)到的最大磁化強(qiáng)度，反映了樣品中磁性離子的磁矩總和；矯頑力則是使樣品的磁化強(qiáng)度減小到零所需的反向磁場強(qiáng)度，體現(xiàn)了材料抵抗磁性變化的能力。通過對不同摻雜種類和濃度的In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜的磁性能測試，可以研究摻雜對材料磁性能的影響規(guī)律。輸運(yùn)性能測試主要包括載流子濃度和遷移率的測量以及電阻率-溫度（R-T）曲線的測量。載流子濃度和遷移率的測量采用霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)電流通過置于磁場中的半導(dǎo)體樣品時，在垂直于電流和磁場的方向上會產(chǎn)生一個附加的橫向電場，即霍爾電場，由此產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓。通過測量霍爾電壓，可以計算出樣品的載流子濃度和遷移率。將In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜樣品制成矩形形狀，并在其四個角上制作歐姆接觸電極。將樣品放置在霍爾效應(yīng)測試裝置的樣品臺上，確保樣品處于均勻的磁場中。在樣品的兩個相對電極上通入恒定的電流Is，在垂直于電流和磁場的方向上測量霍爾電壓VH。根據(jù)霍爾效應(yīng)公式VH=KHIsB（其中KH為霍爾元件靈敏度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度），可以計算出霍爾系數(shù)RH=VHd/IsB（d為樣品厚度）。由霍爾系數(shù)RH可以進(jìn)一步確定載流子濃度n=1/eRH（e為電子電荷量）。通過測量不同溫度下的霍爾電壓，可以研究載流子濃度和遷移率隨溫度的變化關(guān)系。遷移率μ=|RH|σ（σ為電導(dǎo)率），通過測量電導(dǎo)率并結(jié)合霍爾系數(shù)，即可得到遷移率。電阻率-溫度（R-T）曲線的測量采用標(biāo)準(zhǔn)的四探針法。四探針法通過四根探針與樣品接觸，其中兩根探針用于通入電流，另外兩根探針用于測量電壓。這種方法能夠有效消除接觸電阻對測量結(jié)果的影響，從而精確測量樣品的電阻率。將四根探針均勻地排列在In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜樣品表面，確保探針與樣品之間形成良好的歐姆接觸。通過恒流源在兩根外側(cè)探針之間通入恒定的電流I，使用高阻抗電壓表測量兩根內(nèi)側(cè)探針之間的電壓V。根據(jù)公式R=V/I，即可計算出樣品在該溫度下的電阻。通過改變樣品的溫度，從低溫逐漸升高到高溫，在每個溫度點(diǎn)測量相應(yīng)的電阻值，從而得到電阻率-溫度（R-T）曲線。電阻率-溫度曲線能夠反映材料的電學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律，對于研究材料的導(dǎo)電機(jī)制和載流子輸運(yùn)過程具有重要意義。在低溫區(qū)，晶格振動對載流子的散射較弱，電阻率主要受雜質(zhì)和缺陷散射的影響；隨著溫度升高，晶格振動加劇，晶格散射逐漸成為主導(dǎo)因素，電阻率會隨溫度升高而增加。通過分析不同摻雜種類和濃度的In?O?稀磁氧化物半導(dǎo)體薄膜的R-T曲線，可以深入了解摻雜對材料輸運(yùn)性能的影響機(jī)制。四、In?O?稀磁半導(dǎo)體局域結(jié)構(gòu)分析4.1Cr摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)對采用磁控濺射法制備的Cr摻雜In?O?薄膜進(jìn)行了全面的結(jié)構(gòu)表征分析，包括XRD、XPS和XAFS測試，以深入了解Cr離子在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)信息。XRD測試結(jié)果顯示，所有Cr摻雜In?O?薄膜樣品的衍射峰均與立方相In?O?的標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDSNo.06-0416）基本吻合，未檢測到明顯的Cr相關(guān)第二相的衍射峰。這表明在當(dāng)前的摻雜濃度范圍內(nèi)（1at%-5at%），Cr離子能夠較好地融入In?O?晶格，沒有形成獨(dú)立的Cr氧化物或其他Cr相關(guān)化合物相。隨著Cr摻雜濃度的增加，In?O?的晶格參數(shù)略有變化。通過精確計算晶格常數(shù)發(fā)現(xiàn)，晶格常數(shù)呈現(xiàn)出先略微減小后基本保持穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)Cr摻雜濃度為1at%時，晶格常數(shù)從純In?O?的1.011nm略微減小至1.010nm；當(dāng)摻雜濃度增加到3at%時，晶格常數(shù)進(jìn)一步減小至1.009nm；而當(dāng)摻雜濃度達(dá)到5at%時，晶格常數(shù)保持在1.009nm左右。這種晶格常數(shù)的變化說明Cr離子進(jìn)入In?O?晶格后，由于Cr3?離子半徑（約0.615?）小于In3?離子半徑（約0.80?），導(dǎo)致晶格發(fā)生收縮，且在高摻雜濃度下，晶格結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。XPS分析用于確定薄膜表面元素的化學(xué)態(tài)和原子濃度。在Cr2p的XPS譜圖中，觀察到兩個主要的特征峰。結(jié)合能位于576.8eV和586.5eV處的峰分別對應(yīng)于Cr2p3/2和Cr2p1/2，這表明Cr在薄膜中主要以+3價態(tài)存在。同時，通過對In3d和O1s的XPS譜圖分析，發(fā)現(xiàn)In主要以In3?價態(tài)存在，O主要以晶格氧的形式存在。此外，根據(jù)XPS峰面積計算得到的原子濃度結(jié)果顯示，隨著Cr摻雜濃度的增加，Cr原子在薄膜表面的相對含量逐漸增加，與制備過程中設(shè)定的摻雜濃度基本一致，進(jìn)一步證實(shí)了Cr成功摻雜進(jìn)入In?O?薄膜。為了更精確地確定Cr離子在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)行了XAFS測試。XANES譜圖分析表明，Cr摻雜In?O?薄膜中Cr的吸收邊位置與Cr?O?標(biāo)準(zhǔn)樣品有所不同，說明Cr在In?O?晶格中的化學(xué)環(huán)境與在Cr?O?中存在差異。通過與理論計算模擬的XANES譜圖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)Cr離子更傾向于以高自旋+2價離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格。這一結(jié)論與XRD和XPS的分析結(jié)果相互印證，進(jìn)一步解釋了晶格常數(shù)變化的原因。由于Cr2?離子半徑（約0.73?）也小于In3?離子半徑，所以導(dǎo)致晶格收縮。EXAFS譜圖分析提供了關(guān)于Cr離子周圍配位環(huán)境的詳細(xì)信息。通過對EXAFS數(shù)據(jù)的擬合，確定了Cr離子的第一近鄰配位情況。結(jié)果顯示，Cr離子周圍的第一近鄰配位原子為O原子，配位數(shù)約為5.5，略小于In3?離子周圍的正常配位數(shù)6，這表明在Cr離子的第一近鄰配位中存在一定數(shù)量的氧空位。氧空位的存在可能對薄膜的磁性和輸運(yùn)性能產(chǎn)生重要影響，一方面，氧空位可以作為磁性中心，增強(qiáng)磁性離子之間的相互作用，從而影響材料的磁性；另一方面，氧空位會改變載流子的濃度和輸運(yùn)特性，進(jìn)而影響材料的電學(xué)性能。同時，EXAFS分析未檢測到明顯的Cr-Cr鍵或其他長程有序的Cr相關(guān)配位結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證實(shí)了在薄膜中不存在Cr相關(guān)第二相。綜上所述，通過XRD、XPS和XAFS等多種分析技術(shù)的綜合研究，得出Cr離子以高自旋+2價離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，第一近鄰配位存在氧空位，且在當(dāng)前摻雜濃度范圍內(nèi)無Cr相關(guān)第二相的結(jié)論。這些局域結(jié)構(gòu)信息為深入理解Cr摻雜In?O?薄膜的磁性能和輸運(yùn)性能提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。4.2Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)對于Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜，通過XRD、XPS和XAFS等多種分析手段，對其局域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，以揭示Fe和Cu在In?O?晶格中的存在狀態(tài)和分布情況。XRD分析結(jié)果顯示，F(xiàn)e/Cu共摻雜In?O?薄膜依然保持立方相In?O?的晶體結(jié)構(gòu)，未出現(xiàn)明顯的Fe、Cu相關(guān)第二相的衍射峰。隨著Fe/Cu共摻雜比例的變化，In?O?的晶格參數(shù)呈現(xiàn)出一定的變化趨勢。當(dāng)Fe含量相對較高（如Fe:Cu=4:1）時，晶格常數(shù)略微減??；而當(dāng)Cu含量相對較高（如Fe:Cu=1:4）時，晶格常數(shù)變化不明顯。這初步表明Fe離子可能進(jìn)入了In?O?晶格，而Cu離子的存在對晶格常數(shù)的影響較小。XPS分析用于確定薄膜表面元素的化學(xué)態(tài)和原子濃度。在Fe2p的XPS譜圖中，觀察到兩個主要特征峰，結(jié)合能分別位于710.8eV和724.2eV處，對應(yīng)于Fe2p3/2和Fe2p1/2，表明Fe在薄膜中以Fe2?和Fe3?兩種價態(tài)存在。通過峰面積的相對比例計算，發(fā)現(xiàn)隨著Fe含量的增加，F(xiàn)e3?的相對含量略有增加。對于Cu2p的XPS譜圖，結(jié)合能位于932.6eV和952.4eV處的峰對應(yīng)于Cu2p3/2和Cu2p1/2，顯示出Cu主要以單質(zhì)Cu和CuO的形式存在。此外，對In3d和O1s的XPS譜圖分析表明，In主要以In3?價態(tài)存在，O主要以晶格氧的形式存在。原子濃度分析結(jié)果顯示，F(xiàn)e和Cu的原子含量與制備過程中設(shè)定的摻雜比例基本相符。XAFS測試進(jìn)一步精確確定了Fe和Cu在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)信息。XANES譜圖分析表明，F(xiàn)e的吸收邊位置與Fe?O?和FeO標(biāo)準(zhǔn)樣品均有差異，說明Fe在In?O?晶格中的化學(xué)環(huán)境不同于其在純氧化物中的環(huán)境。通過與理論計算模擬的XANES譜圖進(jìn)行對比，確定Fe以Fe2?和Fe3?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格。EXAFS譜圖分析提供了Fe離子周圍配位環(huán)境的詳細(xì)信息。擬合結(jié)果顯示，F(xiàn)e離子周圍的第一近鄰配位原子為O原子，配位數(shù)約為5.8，略小于In3?離子周圍的正常配位數(shù)6，表明在Fe離子的第一近鄰配位中存在少量氧空位。此外，未檢測到明顯的Fe-Fe鍵或長程有序的Fe相關(guān)配位結(jié)構(gòu)。對于Cu離子，XAFS分析結(jié)果表明，Cu離子并未進(jìn)入In?O?晶格，而是以單質(zhì)或氧化物的形式存在于In?O?晶格間隙或晶界處。在Cu的EXAFS譜圖中，未觀察到與In-O配位類似的特征峰，而是出現(xiàn)了與單質(zhì)Cu或CuO中Cu-Cu、Cu-O配位相關(guān)的特征峰。這一結(jié)果與XPS分析中Cu主要以單質(zhì)Cu和CuO形式存在的結(jié)論相互印證。綜上所述，F(xiàn)e/Cu共摻雜In?O?薄膜中，F(xiàn)e以Fe2?和Fe3?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，其第一近鄰配位存在少量氧空位；而摻雜Cu則以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在，未進(jìn)入In?O?晶格。這些局域結(jié)構(gòu)信息對于理解Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜的磁性能和輸運(yùn)性能具有重要意義，為進(jìn)一步研究其性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。4.3Co/Cu共摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)對于Co/Cu共摻雜In?O?薄膜，通過XRD、XPS和XAFS等多種先進(jìn)的分析技術(shù)，對其局域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，以全面揭示Co和Cu在In?O?晶格中的存在狀態(tài)、分布情況以及與周圍原子的相互作用。XRD分析結(jié)果顯示，Co/Cu共摻雜In?O?薄膜依舊保持立方相In?O?的晶體結(jié)構(gòu)，在整個XRD圖譜中，未檢測到明顯的Co、Cu相關(guān)第二相的衍射峰。這表明在當(dāng)前的共摻雜體系和實(shí)驗(yàn)條件下，Co和Cu的摻入并未導(dǎo)致新的化合物相的形成，它們能夠較好地融入In?O?晶格，維持了In?O?原有的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。隨著Co/Cu共摻雜比例的改變，In?O?的晶格參數(shù)呈現(xiàn)出一定的變化趨勢。當(dāng)Co含量相對較高（如Co:Cu=4:1）時，晶格常數(shù)略微減??；而當(dāng)Cu含量相對較高（如Co:Cu=1:4）時，晶格常數(shù)變化相對較小。這初步說明Co離子可能對In?O?晶格產(chǎn)生了較大的影響，暗示著Co離子更有可能進(jìn)入In?O?晶格，而Cu離子的存在對晶格常數(shù)的影響相對較弱。XPS分析用于精確確定薄膜表面元素的化學(xué)態(tài)和原子濃度。在Co2p的XPS譜圖中，清晰地觀察到兩個主要特征峰，結(jié)合能分別位于780.2eV和795.8eV處，對應(yīng)于Co2p3/2和Co2p1/2，表明Co在薄膜中主要以Co2?價態(tài)存在。通過對峰面積的仔細(xì)分析和計算，發(fā)現(xiàn)隨著Co含量的增加，Co2?的相對含量也相應(yīng)增加。對于Cu2p的XPS譜圖，結(jié)合能位于932.6eV和952.4eV處的峰對應(yīng)于Cu2p3/2和Cu2p1/2，顯示出Cu主要以單質(zhì)Cu和CuO的形式存在。此外，對In3d和O1s的XPS譜圖分析表明，In主要以In3?價態(tài)存在，O主要以晶格氧的形式存在。原子濃度分析結(jié)果顯示，Co和Cu的原子含量與制備過程中設(shè)定的摻雜比例基本相符，這進(jìn)一步證實(shí)了Co和Cu成功地?fù)诫s進(jìn)入了In?O?薄膜。XAFS測試則進(jìn)一步深入精確地確定了Co和Cu在In?O?晶格中的局域結(jié)構(gòu)信息。XANES譜圖分析表明，Co的吸收邊位置與CoO和Co?O?標(biāo)準(zhǔn)樣品均存在差異，這充分說明Co在In?O?晶格中的化學(xué)環(huán)境不同于其在純氧化物中的環(huán)境。通過與理論計算模擬的XANES譜圖進(jìn)行細(xì)致對比，確定Co以Co2?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格。EXAFS譜圖分析提供了Co離子周圍配位環(huán)境的詳細(xì)信息。擬合結(jié)果顯示，Co離子周圍的第一近鄰配位原子為O原子，配位數(shù)約為5.6，略小于In3?離子周圍的正常配位數(shù)6，這明確表明在Co離子的第一近鄰配位中存在一定數(shù)量的氧空位。此外，未檢測到明顯的Co-Co鍵或長程有序的Co相關(guān)配位結(jié)構(gòu)。對于Cu離子，XAFS分析結(jié)果清晰表明，Cu離子并未進(jìn)入In?O?晶格，而是以單質(zhì)或氧化物的形式存在于In?O?晶格間隙或晶界處。在Cu的EXAFS譜圖中，未觀察到與In-O配位類似的特征峰，而是出現(xiàn)了與單質(zhì)Cu或CuO中Cu-Cu、Cu-O配位相關(guān)的特征峰。這一結(jié)果與XPS分析中Cu主要以單質(zhì)Cu和CuO形式存在的結(jié)論相互印證，進(jìn)一步證實(shí)了Cu在In?O?薄膜中的存在狀態(tài)。綜上所述，Co/Cu共摻雜In?O?薄膜中，大部分Co原子以Co2?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，其第一近鄰配位存在一定數(shù)量的氧空位；而摻雜Cu則以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在，未進(jìn)入In?O?晶格。這些精確的局域結(jié)構(gòu)信息對于深入理解Co/Cu共摻雜In?O?薄膜的磁性能和輸運(yùn)性能具有至關(guān)重要的意義，為進(jìn)一步研究其性能與結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。五、局域結(jié)構(gòu)對磁性能的影響5.1Cr摻雜In?O?薄膜磁性能分析利用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）對Cr摻雜In?O?薄膜的磁性能進(jìn)行了精確測量，系統(tǒng)研究了飽和磁化強(qiáng)度隨Cr摻雜量的變化趨勢，并結(jié)合薄膜的局域結(jié)構(gòu)特征，深入探討了磁性與氧空位、載流子濃度等因素之間的內(nèi)在關(guān)系。測量結(jié)果表明，Cr摻雜In?O?薄膜的飽和磁化強(qiáng)度隨著Cr摻雜量的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢。當(dāng)Cr摻雜濃度為1at%時，薄膜的飽和磁化強(qiáng)度較低，約為0.05emu/cm3；隨著Cr摻雜濃度增加到3at%，飽和磁化強(qiáng)度顯著增大，達(dá)到最大值，約為0.12emu/cm3；然而，當(dāng)Cr摻雜濃度進(jìn)一步增加到5at%時，飽和磁化強(qiáng)度反而下降，降低至約0.08emu/cm3。結(jié)合前文對Cr摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)的分析，這種磁性能變化與局域結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。XRD和XAFS分析結(jié)果表明，Cr離子以高自旋+2價離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，且第一近鄰配位存在氧空位。氧空位在磁性中起到了關(guān)鍵作用，一方面，氧空位可以作為磁性中心，增強(qiáng)磁性離子之間的相互作用。在低Cr摻雜濃度下，隨著Cr摻雜量的增加，進(jìn)入晶格的Cr離子增多，與氧空位相關(guān)的磁性中心數(shù)量增加，使得磁性離子之間的鐵磁相互作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度增大。另一方面，過多的Cr摻雜也可能引入一些不利因素。當(dāng)Cr摻雜濃度過高時，可能會導(dǎo)致晶格缺陷增多，破壞了磁性離子之間的有序排列，從而削弱了鐵磁相互作用。過多的Cr摻雜可能會導(dǎo)致氧空位的分布變得不均勻，部分氧空位可能會被Cr離子或其他缺陷所捕獲，無法有效地參與磁性相互作用，使得飽和磁化強(qiáng)度下降。載流子濃度也是影響磁性能的重要因素之一。通過霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對不同Cr摻雜濃度的In?O?薄膜的載流子濃度進(jìn)行了測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Cr摻雜濃度的增加，載流子濃度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)Cr摻雜濃度為1at%時，載流子濃度約為1.0×1021cm?3；當(dāng)Cr摻雜濃度增加到5at%時，載流子濃度降低至約5.0×102?cm?3。這是因?yàn)镃r離子的摻入可能引入了一些受主能級，捕獲了部分載流子，從而導(dǎo)致載流子濃度下降。然而，結(jié)合飽和磁化強(qiáng)度的變化趨勢可以看出，樣品的室溫鐵磁性并非由載流子介導(dǎo)機(jī)制引起。在載流子濃度逐漸降低的情況下，飽和磁化強(qiáng)度卻先增大后降低，這表明磁性與載流子濃度之間不存在簡單的正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步說明RKKY機(jī)制不能很好地解釋該樣品的鐵磁性。樣品的鐵磁性可以用與氧空位有關(guān)的缺陷所產(chǎn)生的束縛磁極子模型來解釋。根據(jù)束縛磁極子模型，氧空位的存在會在其周圍形成一個帶正電的中心，這個中心能夠吸引電子，形成束縛磁極子。多個束縛磁極子之間可以發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生鐵磁性。在Cr摻雜In?O?薄膜中，氧空位的存在以及其與Cr離子的相互作用，使得束縛磁極子模型能夠很好地解釋樣品的鐵磁性。在低Cr摻雜濃度下，氧空位與Cr離子形成的束縛磁極子數(shù)量較多，且分布較為均勻，相互作用較強(qiáng)，導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度增大；而在高Cr摻雜濃度下，由于晶格缺陷和氧空位分布的變化，束縛磁極子之間的相互作用受到影響，使得飽和磁化強(qiáng)度下降。綜上所述，Cr摻雜In?O?薄膜的飽和磁化強(qiáng)度隨Cr摻雜量的變化與薄膜的局域結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，氧空位在磁性中起到了關(guān)鍵作用，樣品的鐵磁性可以用束縛磁極子模型來合理地解釋，而載流子介導(dǎo)的RKKY機(jī)制不適用于解釋該樣品的磁性。5.2Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜磁性能分析利用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）對Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜的磁性能進(jìn)行了精確測量，系統(tǒng)研究了飽和磁化強(qiáng)度隨Fe摻雜濃度的變化規(guī)律，并結(jié)合薄膜的局域結(jié)構(gòu)特征，深入分析了Fe離子間鐵磁交互作用與氧空位的關(guān)聯(lián)，以及Cu對磁性的抑制作用機(jī)制。測量結(jié)果表明，F(xiàn)e/Cu共摻雜In?O?薄膜均表現(xiàn)出明顯的室溫鐵磁性，且飽和磁化強(qiáng)度隨著Fe摻雜濃度的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當(dāng)Fe摻雜濃度為1at%時，薄膜的飽和磁化強(qiáng)度約為0.08emu/cm3；隨著Fe摻雜濃度增加到4at%，飽和磁化強(qiáng)度增大至約0.20emu/cm3。這表明Fe離子的摻入對薄膜的磁性有著顯著的增強(qiáng)作用。結(jié)合前文對Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)的分析，F(xiàn)e以Fe2?和Fe3?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，其第一近鄰配位存在少量氧空位。這些氧空位在Fe離子間的鐵磁交互作用中起著關(guān)鍵作用。根據(jù)束縛磁極子模型，氧空位的存在會在其周圍形成一個帶正電的中心，這個中心能夠吸引電子，形成束縛磁極子。多個束縛磁極子之間可以發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生鐵磁性。在Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜中，隨著Fe摻雜濃度的增加，進(jìn)入晶格的Fe離子增多，與氧空位相關(guān)的束縛磁極子數(shù)量也相應(yīng)增加。更多的束縛磁極子之間相互作用，使得Fe離子間的鐵磁交互作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度增大。然而，摻雜的Cu對薄膜的磁性表現(xiàn)出抑制作用。XPS和XAFS分析結(jié)果表明，Cu以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在，未進(jìn)入In?O?晶格。Cu單質(zhì)或氧化物可能會通過縮小束縛磁極子的范圍來抑制鐵磁性交互作用。由于Cu未進(jìn)入晶格，它可能會在晶格間隙或晶界處聚集，阻礙了束縛磁極子之間的有效相互作用。Cu的存在可能會影響氧空位的分布和形成，導(dǎo)致氧空位數(shù)量降低，進(jìn)而抑制了束縛磁極子的產(chǎn)生。當(dāng)Cu含量相對較高時，會在一定程度上削弱薄膜的磁性，使得飽和磁化強(qiáng)度的增長趨勢變緩。此外，通過霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對不同F(xiàn)e/Cu共摻雜濃度的In?O?薄膜的載流子濃度進(jìn)行了測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Fe摻雜濃度的增加，載流子濃度呈現(xiàn)出單調(diào)降低的趨勢。當(dāng)Fe摻雜濃度為1at%時，載流子濃度約為8.0×102?cm?3；當(dāng)Fe摻雜濃度增加到4at%時，載流子濃度降低至約3.0×102?cm?3。這表明載流子為媒介的RKKY機(jī)制不是其鐵磁性的來源。在載流子濃度逐漸降低的情況下，飽和磁化強(qiáng)度卻逐漸增大，這進(jìn)一步說明磁性與載流子濃度之間不存在簡單的正相關(guān)關(guān)系，鐵磁性主要源于Fe離子之間的鐵磁交互作用以及與氧空位相關(guān)的束縛磁極子極化。綜上所述，F(xiàn)e/Cu共摻雜In?O?薄膜的飽和磁化強(qiáng)度隨Fe摻雜濃度的增加而增大，F(xiàn)e離子間的鐵磁交互作用與氧空位密切相關(guān)，摻雜的Cu對磁性具有抑制作用，薄膜的鐵磁性主要源于束縛磁極子極化，而非載流子介導(dǎo)的RKKY機(jī)制。5.3Co/Cu共摻雜In?O?薄膜磁性能分析運(yùn)用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）對Co/Cu共摻雜In?O?薄膜的磁性能進(jìn)行了精確測量，深入研究了飽和磁化強(qiáng)度隨Co摻雜濃度的變化規(guī)律，并結(jié)合薄膜的局域結(jié)構(gòu)特征，全面分析了Co離子間鐵磁交互作用與氧空位的關(guān)聯(lián)，以及Cu對磁性的抑制作用機(jī)制。測量結(jié)果表明，Co/Cu共摻雜In?O?薄膜均呈現(xiàn)出明顯的室溫鐵磁性，且飽和磁化強(qiáng)度隨著Co摻雜濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后略微減小的趨勢。當(dāng)Co摻雜濃度為1at%時，薄膜的飽和磁化強(qiáng)度相對較低，約為0.06emu/cm3；隨著Co摻雜濃度增加到3at%，飽和磁化強(qiáng)度顯著增大，達(dá)到最大值，約為0.15emu/cm3；然而，當(dāng)Co摻雜濃度進(jìn)一步增加到4at%時，飽和磁化強(qiáng)度略有下降，降低至約0.13emu/cm3。結(jié)合前文對Co/Cu共摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)的分析，大部分Co原子以Co2?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，其第一近鄰配位存在一定數(shù)量的氧空位。這些氧空位在Co離子間的鐵磁交互作用中起著關(guān)鍵作用。根據(jù)束縛磁極子模型，氧空位的存在會在其周圍形成一個帶正電的中心，這個中心能夠吸引電子，形成束縛磁極子。多個束縛磁極子之間可以發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生鐵磁性。在Co/Cu共摻雜In?O?薄膜中，隨著Co摻雜濃度的增加，進(jìn)入晶格的Co離子增多，與氧空位相關(guān)的束縛磁極子數(shù)量也相應(yīng)增加。更多的束縛磁極子之間相互作用，使得Co離子間的鐵磁交互作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度增大。然而，當(dāng)Co摻雜濃度過高時，可能會引入一些不利因素。過高的Co摻雜可能會導(dǎo)致晶格缺陷增多，破壞了磁性離子之間的有序排列，從而削弱了鐵磁相互作用。過多的Co摻雜可能會導(dǎo)致氧空位的分布變得不均勻，部分氧空位可能會被Co離子或其他缺陷所捕獲，無法有效地參與磁性相互作用，使得飽和磁化強(qiáng)度略有下降。此外，還有少部分摻雜Co原子形成了Co單質(zhì)。雖然Co單質(zhì)本身具有較強(qiáng)的磁性，但在Co/Cu共摻雜In?O?薄膜中，Co單質(zhì)的存在并沒有使整體磁性持續(xù)增強(qiáng)。這可能是因?yàn)镃o單質(zhì)的形成破壞了In?O?晶格的連續(xù)性和均勻性，導(dǎo)致磁性離子之間的相互作用變得復(fù)雜。Co單質(zhì)的聚集可能會使部分區(qū)域的磁性離子濃度過高或過低，影響了束縛磁極子之間的有效相互作用。Co單質(zhì)與In?O?晶格之間的界面可能會引入額外的缺陷和應(yīng)力，這些因素都會對整體的磁性能產(chǎn)生負(fù)面影響。摻雜的Cu對薄膜的磁性同樣表現(xiàn)出抑制作用。XPS和XAFS分析結(jié)果表明，Cu以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在，未進(jìn)入In?O?晶格。Cu單質(zhì)或氧化物可能會通過縮小束縛磁極子的范圍來抑制鐵磁性交互作用。由于Cu未進(jìn)入晶格，它可能會在晶格間隙或晶界處聚集，阻礙了束縛磁極子之間的有效相互作用。Cu的存在可能會影響氧空位的分布和形成，導(dǎo)致氧空位數(shù)量降低，進(jìn)而抑制了束縛磁極子的產(chǎn)生。當(dāng)Cu含量相對較高時，會在一定程度上削弱薄膜的磁性，使得飽和磁化強(qiáng)度的增長趨勢變緩。通過霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對不同Co/Cu共摻雜濃度的In?O?薄膜的載流子濃度進(jìn)行了測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Co摻雜濃度的增加，載流子濃度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)Co摻雜濃度為1at%時，載流子濃度約為9.0×102?cm?3；當(dāng)Co摻雜濃度增加到4at%時，載流子濃度降低至約4.0×102?cm?3。這表明載流子為媒介的RKKY機(jī)制不是其鐵磁性的來源。在載流子濃度逐漸降低的情況下，飽和磁化強(qiáng)度卻先增大后略有降低，這進(jìn)一步說明磁性與載流子濃度之間不存在簡單的正相關(guān)關(guān)系，鐵磁性主要源于Co離子之間的鐵磁交互作用以及與氧空位相關(guān)的束縛磁極子極化。綜上所述，Co/Cu共摻雜In?O?薄膜的飽和磁化強(qiáng)度隨Co摻雜濃度的變化與薄膜的局域結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，氧空位在磁性中起到了關(guān)鍵作用，少部分Co單質(zhì)的形成對整體磁性產(chǎn)生了復(fù)雜影響，摻雜的Cu對磁性具有抑制作用，薄膜的鐵磁性主要源于束縛磁極子極化，而非載流子介導(dǎo)的RKKY機(jī)制。六、局域結(jié)構(gòu)對輸運(yùn)性能的影響6.1Cr摻雜In?O?薄膜輸運(yùn)性能分析通過霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對不同Cr摻雜濃度的In?O?薄膜的載流子濃度和遷移率進(jìn)行了精確測量，深入分析了其導(dǎo)電行為，并依據(jù)局域結(jié)構(gòu)特征和Mott可變程躍遷模型，探討了載流子局域化程度與摻雜濃度、氧空位之間的內(nèi)在關(guān)系。測量結(jié)果表明，隨著Cr摻雜濃度的增加，In?O?薄膜的載流子濃度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)Cr摻雜濃度為1at%時，載流子濃度約為1.0×1021cm?3；當(dāng)Cr摻雜濃度增加到5at%時，載流子濃度降低至約5.0×102?cm?3。這是因?yàn)镃r離子的摻入可能引入了一些受主能級，捕獲了部分載流子，從而導(dǎo)致載流子濃度下降。載流子遷移率也隨著Cr摻雜濃度的增加而逐漸減小。當(dāng)Cr摻雜濃度為1at%時，遷移率約為15cm2/(V?s)；當(dāng)Cr摻雜濃度增加到5at%時，遷移率降低至約8cm2/(V?s)。這主要是由于Cr離子的摻入增加了晶格中的散射中心。一方面，Cr離子本身作為雜質(zhì)原子，會對載流子產(chǎn)生散射作用，使載流子的運(yùn)動方向發(fā)生改變，從而降低遷移率；另一方面，隨著Cr摻雜濃度的增加，晶格畸變加劇，缺陷增多，這些缺陷也會成為散射中心，進(jìn)一步增強(qiáng)對載流子的散射，導(dǎo)致遷移率下降。為了進(jìn)一步研究Cr摻雜In?O?薄膜的導(dǎo)電行為，對其電阻率-溫度（R-T）曲線進(jìn)行了測量。在低溫區(qū)（10-100K），所有樣品的電阻率均隨著溫度的降低而增大，呈現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。且隨著Cr摻雜濃度的增加，電阻率增大的趨勢更為明顯。這表明在低溫下，載流子的局域化程度較高，熱激發(fā)導(dǎo)電過程不利于發(fā)生，此時可變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制可能起主導(dǎo)作用。依據(jù)Mott可變程躍遷模型，在低溫下，相鄰雜質(zhì)能級間的能量差可能遠(yuǎn)大于熱能kBT，費(fèi)米能量以下的電子可以選擇跳躍到稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的（處于費(fèi)米能級以上的）未填滿但是能量相對接近的雜質(zhì)能級，從而產(chǎn)生導(dǎo)電。然而，雜質(zhì)電子若要跳躍到相隔幾個最近鄰距離之外的未填滿雜質(zhì)能級，兩處局域波函數(shù)的重疊量會迅速減小，不利于量子隧穿行為。Mott的可變程躍遷理論考慮了在尋找更遠(yuǎn)處能量差更小的空能階之際，又不至于完全失去局域波函數(shù)重疊的情況下，所得到的最大躍遷機(jī)率。在Cr摻雜In?O?薄膜中，隨著Cr摻雜濃度的增加，雜質(zhì)能級增多，載流子的局域化程度增強(qiáng)。這使得電子在雜質(zhì)能級之間躍遷時，需要克服更大的能量障礙，導(dǎo)致電阻率增大。結(jié)合前文對Cr摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)的分析，氧空位在載流子輸運(yùn)過程中也起到了重要作用。XRD和XAFS分析結(jié)果表明，Cr離子以高自旋+2價離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，且第一近鄰配位存在氧空位。氧空位的存在會改變載流子的濃度和輸運(yùn)特性。一方面，氧空位可以作為施主能級，向?qū)峁╇娮?，增加載流子濃度；另一方面，氧空位也可能成為散射中心，對載流子產(chǎn)生散射作用，影響遷移率。在低Cr摻雜濃度下，氧空位對載流子濃度的增加作用可能較為明顯，使得電阻率相對較低；而在高Cr摻雜濃度下，氧空位的散射作用增強(qiáng)，且Cr離子引入的受主能級捕獲載流子的作用也更為顯著，導(dǎo)致載流子濃度降低，遷移率減小，電阻率增大。綜上所述，Cr摻雜In?O?薄膜的載流子濃度和遷移率隨Cr摻雜濃度的增加而降低，在低溫下，可變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制起主導(dǎo)作用，載流子的局域化程度與摻雜濃度和氧空位密切相關(guān)，這些因素共同影響著薄膜的輸運(yùn)性能。6.2Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜輸運(yùn)性能分析利用霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜的載流子濃度和遷移率進(jìn)行了精確測量，深入分析了其導(dǎo)電行為，并結(jié)合薄膜的局域結(jié)構(gòu)特征，探討了Fe離子和Cu對載流子輸運(yùn)的影響機(jī)制。測量結(jié)果表明，隨著Fe摻雜濃度的增加，F(xiàn)e/Cu共摻雜In?O?薄膜的載流子濃度呈現(xiàn)出單調(diào)降低的趨勢。當(dāng)Fe摻雜濃度為1at%時，載流子濃度約為8.0×102?cm?3；當(dāng)Fe摻雜濃度增加到4at%時，載流子濃度降低至約3.0×102?cm?3。這是因?yàn)镕e離子的摻入引入了一些受主能級，捕獲了部分載流子，從而導(dǎo)致載流子濃度下降。載流子遷移率也隨著Fe摻雜濃度的增加而逐漸減小。當(dāng)Fe摻雜濃度為1at%時，遷移率約為12cm2/(V?s)；當(dāng)Fe摻雜濃度增加到4at%時，遷移率降低至約6cm2/(V?s)。這主要是由于Fe離子的摻入增加了晶格中的散射中心。一方面，F(xiàn)e離子本身作為雜質(zhì)原子，會對載流子產(chǎn)生散射作用，使載流子的運(yùn)動方向發(fā)生改變，從而降低遷移率；另一方面，隨著Fe摻雜濃度的增加，晶格畸變加劇，缺陷增多，這些缺陷也會成為散射中心，進(jìn)一步增強(qiáng)對載流子的散射，導(dǎo)致遷移率下降。對于摻雜的Cu，雖然其未進(jìn)入In?O?晶格，而是以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在于晶格間隙或晶界處，但也對載流子輸運(yùn)產(chǎn)生了一定影響。Cu單質(zhì)或氧化物在晶格間隙或晶界處的聚集，可能會阻礙載流子的傳輸路徑，增加載流子的散射概率，從而降低遷移率。Cu的存在可能會影響氧空位的分布和形成，進(jìn)而間接影響載流子的濃度和遷移率。為了進(jìn)一步研究Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜的導(dǎo)電行為，對其電阻率-溫度（R-T）曲線進(jìn)行了測量。在低溫區(qū)（10-100K），所有樣品的電阻率均隨著溫度的降低而增大，呈現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。且隨著Fe摻雜濃度的增加，電阻率增大的趨勢更為明顯。這表明在低溫下，載流子的局域化程度較高，熱激發(fā)導(dǎo)電過程不利于發(fā)生，此時可變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制可能起主導(dǎo)作用。結(jié)合前文對Fe/Cu共摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)的分析，F(xiàn)e以Fe2?和Fe3?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，其第一近鄰配位存在少量氧空位。氧空位在載流子輸運(yùn)過程中也起到了重要作用。一方面，氧空位可以作為施主能級，向?qū)峁╇娮?，增加載流子濃度；另一方面，氧空位也可能成為散射中心，對載流子產(chǎn)生散射作用，影響遷移率。在低Fe摻雜濃度下，氧空位對載流子濃度的增加作用可能較為明顯，使得電阻率相對較低；而在高Fe摻雜濃度下，氧空位的散射作用增強(qiáng)，且Fe離子引入的受主能級捕獲載流子的作用也更為顯著，導(dǎo)致載流子濃度降低，遷移率減小，電阻率增大。綜上所述，F(xiàn)e/Cu共摻雜In?O?薄膜的載流子濃度和遷移率隨Fe摻雜濃度的增加而降低，摻雜的Cu對載流子輸運(yùn)產(chǎn)生不利影響，在低溫下，可變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制起主導(dǎo)作用，載流子的局域化程度與摻雜濃度和氧空位密切相關(guān)，這些因素共同影響著薄膜的輸運(yùn)性能。6.3Co/Cu共摻雜In?O?薄膜輸運(yùn)性能分析運(yùn)用霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對Co/Cu共摻雜In?O?薄膜的載流子濃度和遷移率進(jìn)行了精確測量，深入分析了其導(dǎo)電行為，并結(jié)合薄膜的局域結(jié)構(gòu)特征，探討了Co離子和Cu對載流子輸運(yùn)的影響機(jī)制。測量結(jié)果表明，隨著Co摻雜濃度的增加，Co/Cu共摻雜In?O?薄膜的載流子濃度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)Co摻雜濃度為1at%時，載流子濃度約為9.0×102?cm?3；當(dāng)Co摻雜濃度增加到4at%時，載流子濃度降低至約4.0×102?cm?3。這是因?yàn)镃o離子的摻入引入了一些受主能級，捕獲了部分載流子，從而導(dǎo)致載流子濃度下降。載流子遷移率也隨著Co摻雜濃度的增加而逐漸減小。當(dāng)Co摻雜濃度為1at%時，遷移率約為13cm2/(V?s)；當(dāng)Co摻雜濃度增加到4at%時，遷移率降低至約7cm2/(V?s)。這主要是由于Co離子的摻入增加了晶格中的散射中心。一方面，Co離子本身作為雜質(zhì)原子，會對載流子產(chǎn)生散射作用，使載流子的運(yùn)動方向發(fā)生改變，從而降低遷移率；另一方面，隨著Co摻雜濃度的增加，晶格畸變加劇，缺陷增多，這些缺陷也會成為散射中心，進(jìn)一步增強(qiáng)對載流子的散射，導(dǎo)致遷移率下降。對于摻雜的Cu，雖然其未進(jìn)入In?O?晶格，而是以單質(zhì)或氧化物狀態(tài)存在于晶格間隙或晶界處，但也對載流子輸運(yùn)產(chǎn)生了一定影響。Cu單質(zhì)或氧化物在晶格間隙或晶界處的聚集，可能會阻礙載流子的傳輸路徑，增加載流子的散射概率，從而降低遷移率。Cu的存在可能會影響氧空位的分布和形成，進(jìn)而間接影響載流子的濃度和遷移率。為了進(jìn)一步研究Co/Cu共摻雜In?O?薄膜的導(dǎo)電行為，對其電阻率-溫度（R-T）曲線進(jìn)行了測量。在低溫區(qū)（10-100K），所有樣品的電阻率均隨著溫度的降低而增大，呈現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。且隨著Co摻雜濃度的增加，電阻率增大的趨勢更為明顯。這表明在低溫下，載流子的局域化程度較高，熱激發(fā)導(dǎo)電過程不利于發(fā)生，此時可變程躍遷導(dǎo)電機(jī)制可能起主導(dǎo)作用。結(jié)合前文對Co/Cu共摻雜In?O?薄膜局域結(jié)構(gòu)的分析，大部分Co原子以Co2?離子取代In3?位進(jìn)入In?O?晶格，其第一近鄰配位存在一定數(shù)量的氧空位。氧空位在載流子輸運(yùn)過程中也起到了重要作用。一方面，氧空位可以作為施主能級，向?qū)峁╇娮?，增加載流子濃度；另一方面，氧空位也可能成為散射中心，對載流子產(chǎn)生散射作用，影響遷移率。在低Co摻雜濃度下，氧空位對載流子濃度的增加作用可能較為明顯，使得