钴掺杂非晶碳薄膜/硅异质结的可调控正磁电阻效应开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，碳基材料在材料科学的发展中大放异彩，碳基材料以其丰富的物理化学特性，在光敏器件、能源、存储及磁电阻器件等领域得到了广泛的应用。非晶碳薄膜材料作为一种物理特性高度可控的材料，其磁学特性吸引了广泛的关注。在非晶碳薄膜中注入不同的掺杂元素可提升该器件的性能。本课题主要研究钴掺杂的非晶碳薄膜，通过光脉冲沉积的方法将它生长于n型硅衬底上，构建出非晶碳/硅异质结。在此异质结上，研究磁场对于电阻的调控，即磁电阻效应。

在过去的几十年里，非晶碳纤维膜对领域内的研究者们有着极大的吸引力。这是因为他们有丰富的光学特性，磁性，以及电学性能。同时也可能应用于太阳能用非易失性电阻式开关存储器用的阳离子管、电池、气体传感器、磁电阻效应等器件。人们对掺钯的a-C薄膜和掺碘的a-C薄膜的光伏特性进行了研究，证实了将它们作为太阳能电池具有很高的效率。 有学者报道了a-C/Si结在室温下对氨很敏感的特性，这也表明了它作为气体传感器具有潜在的应用前景。 巨磁电阻(CMR)已经研究了几十年，在各种电子器件中得到了应用。一般认为CMR效应来源于Jahn-Teller效应和双重交换效应。 然而，这种机制不太可能被用来解释无序碳系统的巨大PMR效应。 同时对负偏压电压下的PMR效应的研究仍然缺乏。所以，阐明a-C膜的输运机制仍需要进一步的研究。

2. 研究内容和预期目标

实验内容：利用脉冲激光沉积法(PLD)在n型111硅衬底上沉积纯a-C薄膜和a-C：Co薄膜；生长完成后使用扫描电子显微镜等表征设备测量薄膜表面形貌、厚度；利用光谱分析薄膜元素与粒子分布、sp2/sp3的值；再利用双探针法测量薄膜各类电学特性。

预期目标：掌握磁电阻方面的相关理论知识、第一性原理计算的基本知识。能够熟悉掌握准分子激光器、磁控溅射镀膜系统等仪器的操作，熟练样品制备的工艺流程。熟练操作SQUID磁场计测试基本磁性和磁热效应；掌握单晶X射线衍射仪选取高质量的单晶样品并对其作详尽的结构测试。熟悉Origin分析实验数据、粉末X射线衍射数据的Rietveld精修（Rietica软件）、单晶X射线衍射数据的晶体结构解析（ShelxTL软件）、利用原子力显微镜等表征样品形貌。培养综合运用专业及基础知识，解决实际问题的能力，培养探索新材料和物理机理的兴趣。

3. 研究的方法与步骤

我们打算采用脉冲激光沉积法(PLD)在n型（111）硅衬底上沉积纯a-C薄膜和a-C：Co薄膜。 硅衬底是低P掺杂，电阻率为8-13Ωcm。 沉积前，用乙醇、丙酮超声清洗Si衬底，在稀释的HF溶液（10%）中蚀刻15min，在去离子水中冲洗。 将沉积室泵到6×10^-6mbar，再将基片加热到400°C，以纯度99.99%的石墨圆盘为靶材，嵌入钴条(纯度99.9%)。采用能量为360mJ/pulse和频率为5hz的激光进行沉积。

预处理完成后，可使用扫描电子显微镜(SEM)观察a-C：Co薄膜表面形貌，测量薄膜厚度。 再用能量色散性的X射线光谱仪分析元素组成和Co浓度。同时利用拉曼光谱识别无序结构，测量sp2/sp3比值。在交流电极膜上蒸发银表面电极，以确保低欧姆接触。再用双探针法测量A-C：Co/Si结的电阻、电流-电压(I-V)关系和磁电阻。

4. 参考文献

[1]f. zhuge, w. dai, c. l. he, a. y. wang, y. w. liu, m. li, y. h. wu, p. cui, and r.-w. li, nonvolatile resistive switching memory based on amorphous carbon, appl. phys. lett. 2010,96, 163505.

[2]m. ma, q. xue, h. chen, x. zhou, d. xia, c. lv, and j. xie, photovoltaic characteristics of pd doped amorphous carbon film/sio2/si, appl. phys. lett. 2010,97, 061902.

[3]a. m. m. omer, s. adhikari, s. adhikary, h. uchida, and m. umeno, photovoltaic characteristics of postdeposition iodine-doped amorphous carbon films by microwave surface wave plasma chemical vapor deposition, appl. phys. lett. 2005, 87, 161912.

5. 计划与进度安排

(1) 2022年03月01日-03月05日指导教师与学生联系，学生根据要求收集资料

(2) 2022年03月01日-03月05日下达毕业任务书

(3) 2022年03月01日-03月12日学生完成开题报告