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正电子湮没谱学研究氧离子注入AlN薄膜中缺陷对磁性影响

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在氧离子注入的AlN薄膜AlN:O5×1016(剂量为5×1016 cm-2)和AlN:O2×1017(剂量为2×1017 cm-2)中观察到了室温铁磁性.所观察到的磁各向异性表明,氧离子注入的AlN薄膜中铁磁性是本征特性.在垂直于样品平面的外加磁场下,AlN:O5×1016中的饱和磁化强度约为0.68 emu/g,高于AlN:O2×1017中的饱和磁化强度0.09 emu/g.这是由于过高的氧离子剂量使得更多的氧离子占据相邻的Al离子位置,导致了反铁磁耦合的出现.正电子湮没多普勒展宽谱表明在氧离子注入的AlN薄膜中存在大量的Al空位.第一性原理计算表明氧离子注入的AlN薄膜中的铁磁性主要来源于Al空位,而高浓度的Al空位形成双空位或空位团将会使得AlN样品从铁磁性到反铁磁性转变,最终使样品的铁磁性减弱.
Effect of Defects on Magnetic Properties of O+-implanted AlN Films by Positron Annihilation Spectroscopy
Room-temperature ferromagnetism is observed in the O+-implanted AlN films with O+doses of 5 × 1016 cm-2(AlN:O5×1016)and 2×1017 cm-2(AlN:O2×1017).The observed magnetic anisotropy indicates that the ferromagnetism is attributed to the intrinsic properties of O+-implanted AlN films.The out-of-plane saturation mag-netization(Ms)of the AlN:O5×1016 is about 0.68 emu/g,much higher than that of AlN:O2×1017,0.09 emu/g,which is due to the excessively high O+dose made more O+ions occupy adjacent Al3+positions in forms of antiferromagnet-ic coupling.Doppler broadening of positron annihilation radiation measurements demonstrate the existence of Al va-cancies in the O+-implanted AlN films.The first-principles calculations suggest that the ferromagnetism originates mainly from the Al vacancies.Meanwhile,the formation of divacancies or vacancy clusters by high concentrations of Al vacancies will lead to the transformation of VAl-VAl coupling from ferromagnetim to antiferromagnetism,ulti-mately weakening the ferromagnetism of the sample.

positron annihilation spectroscopyion implantationsemiconductorsferromagnetism

叶润、叶邦角

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盐城师范学院物理与电子工程学院,江苏盐城 224007

中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室,合肥 230026

正电子湮没谱学 离子注入 半导体 铁磁性

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2019YFA021000012305333SKLPDE-KF-202114YCBK2023061JSSCBS20211148BK20220699

2024

10.11804/NuclPhysRev.41.2023CNPC66

原子核物理评论
中国科学院近代物理研究所，中国核物理学会

原子核物理评论

CSTPCD北大核心
影响因子：0.181
ISSN：1007-4627
年,卷(期)：2024.41(1)