钒掺杂碳化硅粉体磁性机理的研究

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稀磁半导体是一种能同时利用电子电荷属性和自旋属性的新型半导体，在自旋电子器件领域有着广阔的应用前景。作为一种重要的宽禁带半导体材料，SiC单晶不但具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，而且有潜力实现对于稀磁半导体材料实际应用至关重要的室温铁磁性。因此，SiC基稀磁半导体材料逐渐成为新材料研究领域的热点之一。迄今为止，SiC材料的磁性来源还不明确，存在一些不同甚至相左的观点，关于其磁性机理还需要进一步研究。目前实验室中主要通过V掺杂来实现SiC单晶的半绝缘性能，鉴于V掺杂SiC单晶的制备工艺复杂、周期长，本论文中以V掺杂SiC粉体为对象来研究其磁性机理。 通过固相合成法来制取V掺杂3C-SiC和6H-SiC粉体。在掺入V离子之前，系统地研究了合成温度、气相压强等工艺条件对SiC粉体性能的影响，确定了3C-SiC和6H-SiC粉体制备的最佳工艺参数。在此基础上，制备了不同浓度V掺杂3C-SiC和6H-SiC粉体，并在不同原料Si/C（摩尔比）下制备了不掺杂和V掺杂（原料VC粉质量百分比为0.1 wt.%）3C-SiC和6H-SiC粉体。采用各种检测方法对所得粉体的纯度、粒度、形貌、载流子浓度、空位浓度和磁滞回线等进行了系统地检测表征。 V掺杂3C-SiC粉体的检测表征结果表明，所制得的V掺杂3C-SiC颗粒粒径为几um，颗粒之间团聚现象比较严重，团聚体的平均粒径为300 um左右。V离子进入了3C-SiC的晶格之中，随着原料VC粉质量百分比的提高，3C-SiC粉体中V元素的含量和载流子浓度逐渐增加，空位浓度逐渐减少，饱和磁矩显示出一定的波动性。在此基础上，本论文认为3C-SiC粉体的磁性来源于其自身的碳硅空位对，V离子的引入不产生铁磁交换作用，它通过调节粉体中的空位浓度和载流子浓度来调节其磁性。对不掺杂3C-SiC粉体而言，粉体的磁性不受原料Si/C改变影响；对原料VC粉质量百分比为0.1 wt.%的3C-SiC粉体而言，粉体磁性随着原料Si/C的增加而逐渐减弱。 V掺杂6H-SiC粉体的检测表征结果表明，所制得的V掺杂6H-SiC颗粒粒径为几十um，颗粒之间团聚现象比较严重，团聚体的平均粒径为300 um左右。随着原料VC粉质量百分比的提高，6H-SiC粉体中V元素的含量逐渐提高，载流子浓度不发生明显变化，空位浓度增加至一定值后减小，饱和磁矩显示出一定的波动性。在此基础上，本论文认为6H-SiC粉体的磁性来源于其自身的碳硅空位对，V离子的引入通过调节粉体中的空位浓度来调节其磁性。随着空位浓度的增加，6H-SiC粉体的饱和磁矩没有呈现增加的趋势，表明6H-SiC粉体中不同晶格位上碳硅空位对所形成的磁矩无法形成长程有序，它们之间还存在相互抵消。随着原料Si/C比的提高，不掺杂和V掺杂6H-SiC粉体中的空位浓度都呈现增加的趋势，但是两者的磁性都体现一定的波动性。这也表明了SiC粉体中空位产生的磁矩具有一定的复杂性，需要进一步深入研究。 此外，对比3C-SiC和6H-SiC粉体的磁性随着V掺杂浓度变化的规律可以发现，对于不同SiC多型而言，磁性能变化规律是有区别的，这表明SiC的磁性和晶格结构有很大的关系。