共掺杂Cr离子调控Co在ZnO中的分布形式

在电子水平上有效操纵和控制物质的电学和磁学性质是当前基础科学研究面临的重大挑战。近年来，理论和实验研究表明，以稀磁半导体为载体有可能实现同时操纵电子的电荷和自旋行为，并克服微电子学赖以存在的半导体器件即将达到物理极限的瓶颈，实现新一代自旋电子学纳米器件的制备，解决信息技术的微型化、低功耗和高处理速度等核心技术问题。

然而，由于自旋化分解效应掺杂在半导体中的磁性离子常常形成一个妨碍稀磁半导体在实际中应用的杂相。因此，如何有效调控掺杂离子在半导体中的分布形式，解决与掺杂离子相关的杂项的产生是当前该研究领域所面临的一个亟待解决的关键问题。考虑到利用掺杂离子之间的库仑相互作用能有效减弱自旋化分解效应这一事实，我们提出了通过共掺杂，利用异类掺杂离子之间的电子转移，调控掺杂离子在半导体中的分布形式，进而抑制与掺杂离子相关的杂相产生的解决方案。

  图1 杂项产生及其解决方案

Co掺杂ZnO体系是受到广泛研究的DMS材料之一。众多的研究结果已经表明在脉冲激光沉积（PLD）方法制备的Co掺杂ZnO体系中，当Co的浓度超过5%时，样品中将出现Co团簇。在这里我们以PLD制备的Co掺杂ZnO为模型体系，通过共掺杂Cr离子，利用Co与Cr离子之间的电子转移，有效的调控了Co离子在ZnO中的分布形式，成功地抑制了Co团簇的产生，制备出了均相的Co掺杂ZnO稀磁半导体。

图2给出了在北京同步辐射装置1W1B光束线和国家同步辐射实验室U7C光束线采集的Zn0.92Co0.08O 和 Zn0.87Co0.08Cr0.05O样品的Co和Cr原子的XAFS谱图。很显然，在掺杂Cr原子之前，在Zn0.92Co0.08O的径向结构函数中出现了一个对应于Co团簇的特征峰。而在掺杂Cr原子之后，在这个特征峰消失。这意味着共掺杂的Cr离子能够有效调控Co离子在ZnO中的分布形式，抑制了Co团簇的产生。另外，基于多重散射的理论计算和Zn0.87Co0.08Cr0.05O样品的Cr K边XANES与 Cr2O3的对比研究，明确了共掺杂Cr离子以+3的电子态替代了ZnO的Zn原子。

图2 （a）Co K-edge径向结构函数　　　    （b）Cr K-edge XANES 

基于获得的结构模型：Co和Cr替代ZnO中的Zn原子，利用第一性原理计算了相应的电子态密度。我们发现在(Co,Cr):ZnO中，Cr引入的施主能级a3分裂为两个子能级a31和a32 ，其中a31 与Co的3deg↓之间有电子转移，与Co的K edge XANES实验结果相一致。这些研究结果表明Co与Cr之间的电子转移是Cr原子能够调控Co原子分布和抑制Co团簇产生的根本原因。

图3 Co K edge XANES　　  Co:ZnO，Cr:ZnO和（Co，Cr）:ZnO的DOS

发表文章：

Wensheng Yan, Shiqiang Wei et.al. Mediating distribution of magnetic Co ions by Cr-codoping in (Co,Cr): ZnO thin films, Appl. Phys. Lett.97 042504(2010)

National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei,

Anhui 230029, People’s Republic of China

To whom correspondence should be addressed. E-mail: sqwei@ustc.edu.cn; ywsh2000@ustc.edu.cn.