铁磁性MnSi有序超薄膜在Si基底上的外延生长及其掺杂特性研究

近年来的理论研究表明，外延生长在Si基底上的MnSi超薄膜具有50%的自旋极化率和200-300K的居里温度，是很有竞争力的Si基底自旋极化电子注入材料，然而，目前实验上还没有在技术上更为重要的Si(001)基底上外延生长出MnSi有序超薄膜，并且理论预言的居里温度值还没有达到实际应用的要求。本申请拟采用Mn、Si双源共蒸发的分子束外延技术在Si(111)和(001)基底上外延生长铁磁性MnSi有序超薄膜，利用超高真空扫描隧道显微镜、自旋极化扫描隧道显微镜、X射线吸收精细结构、透射电镜、综合物性测量系统（Quantum Design公司）等手段研究生长条件、掺杂元素（Co和C等）和掺杂浓度对MnSi薄膜的生长模式、结构、电学和磁学性能的影响，了解掺杂MnSi超薄膜中铁磁性形成和增强的物理机制，最终在Si基底上外延生长出具有高居里温度的铁磁性MnSi有序超薄膜。

由铁磁薄膜/半导体接触构成的自旋电子器件有着高数据处理速度、低功耗和高集成密度等优点，是下一代半导体器件的有力竞争者。然而，在当前的自旋电子学研究中，将自旋极化的电子从铁磁金属层有效注入到半导体材料Si中遇到很大困难，其原因是(1)铁磁金属如Fe、Co、Ni等容易与Si发生反应形成非磁性的硅化物（通常被称为“死磁层”），严重阻碍了自旋的注入。(2) 铁磁金属与半导体基底Si之间存在较大的电导率失配（σ半导体/σ铁磁 « 1）和较大的的晶格失配，电子在穿越铁磁金属/半导体界面时存在自旋极化丢失，自旋注入的效率很低。不同于其它金属硅化物，MnSi是居里温度为29.5 K的铁磁材料，近年来的理论研究表明，外延生长在Si基底上的MnSi超薄膜具有50%的自旋极化率和200-300K的居里温度，是潜在的Si基底自旋极化电子注入材料。本项目采用分子束外延技术在Si(111)、Si（100）和Si(110)衬底上生长MnSi薄膜，利用超高真空扫描隧道显微镜（STM）从原子尺度上原位研究了生长条件对薄膜的生长模式、薄膜质量和相组成的影响，在Si(111)和Si(001)衬底上生长出了铁磁性的MnSi单晶超薄膜，同时还在Si(111)、（110）、（001）三种基底上生长出了Mn-Si单晶纳米线；利用超高真空STM研究了MnSi薄膜和其它Mn-Si纳米结构的电学特性，以及它们与Si衬底之间的电输运特性；利用X射线光电子能谱研究了MnSi薄膜和Mn-Si纳米结构的元素组成、含量、化合价态、价带谱以及氧化特性；利用综合物性测量系统研究了MnSi薄膜和其它Mn-Si纳米结构的磁特性，结果表明，3ML厚的MnSi超薄膜的居里温度大约为40K，高于MnSi体材料的29.5K；另外，对Fe掺杂的MnSi薄膜的外延生长及其电学和磁学特性进行了研究。以上研究成果对自旋极化电子注入材料在Si基底上的外延生长具有重要的指导意义，对自旋电子器件的研制和开发具有重要的参考价值。

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