[论文解读] Properties of group-IV-based ferromagnetic semiconductor GeFe: Growth temperature dependence, lattice constant, location of Fe atoms, and their relevance to the magnetic properties

Yuki K. Wakabayashi, Shinobu Ohya+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究探究了GeFe稀磁半导体薄膜的生长温度依赖性，揭示了居里温度（TC）与晶格常数之间存在与铁含量无关的普遍关联。通过RBS和PIXE分析，发现约15%的铁原子占据四面体间隙位点，且非均匀的铁分布——而非替代位点的铁浓度——主导了铁磁行为。

ABSTRACT

We report the growth temperature dependence of the properties of the group-IV-based ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex films (x = 6.5% and 10.5%), including the lattice constant, Curie temperature (TC), and Fe-atom locations. While TC strongly depends on the growth temperature, we find a universal relationship between TC and the lattice constant, which does not depend on the Fe content x. By using the channeling Rutherford backscattering and particle-induced X-ray emission measurements, it is clarified that about 15% of the Fe atoms exist in the tetrahedral interstitial sites in the Ge0.935Fe0.065 lattice and that the substitutional Fe concentration is not correlated with TC. Considering these results, we suggest that the non-uniformity of the Fe concentration plays an important role in determining the ferromagnetic properties of GeFe.

研究动机与目标

• 理解生长温度对Ge1-xFex薄膜结构与磁性性质的影响。
• 利用先进表征技术精确确定铁原子在锗晶格中的位置。
• 阐明铁浓度分布对GeFe中居里温度（TC）的决定作用。
• 在不同铁掺杂水平下建立TC与晶格常数之间的普遍关系。
• 解决长期以来关于四价基稀磁半导体中铁磁性起源的模糊性问题。

提出的方法

• 采用分子束外延法在不同温度下生长Ge1-xFex薄膜（x = 6.5% 和 10.5%）。
• 采用沟道式回旋散射谱（RBS）测定铁原子的占位情况。
• 利用粒子激发X射线发射谱（PIXE）定量分析铁浓度及其分布。
• 通过超导量子干涉器件（SQUID）磁力计测量磁性性质，包括居里温度（TC）。
• 将X射线衍射测得的晶格常数与不同生长条件下的TC进行关联分析。
• 分析不同铁掺杂水平（x = 6.5% 和 10.5%）下TC–晶格常数关系的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 生长温度如何影响Ge1-xFex薄膜的晶格常数和居里温度（TC）？
• RQ2 铁原子在锗晶格中的位置是替代位点还是间隙位点？这一位置如何影响磁性性质？
• RQ3 替代位点铁原子浓度是否与观测到的居里温度存在直接相关性？
• RQ4 在GeFe中，不同铁掺杂水平下TC与晶格常数之间是否存在普遍关系？
• RQ5 铁浓度分布的非均匀性在GeFe铁磁行为中起何种作用？

主要发现

• 在Ge1-xFex薄膜中，居里温度（TC）与晶格常数之间存在与铁含量无关的普遍关系（x = 6.5% 和 10.5%）。
• 通过沟道式RBS确认，在Ge0.935Fe0.065晶格中约15%的铁原子占据四面体间隙位点。
• 替代位点铁原子浓度与居里温度（TC）无直接相关性。
• 观测到的TC强烈依赖于生长温度，表明磁性性质受动力学控制。
• 非均匀的铁浓度分布被确定为控制GeFe铁磁行为的关键因素。
• 晶格常数随生长温度升高而增大，且与TC的同步增加密切相关。