姚育鵬 唐曙鋒 潘媛媛 鄭雙羽 李培澤 王舒凱 蔡夢婷 牛逸瀟 吳海飛

(紹興文理學(xué)院 數(shù)理信息學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

磁性材料可在無磁場條件下實現(xiàn)對非磁性半導(dǎo)體的自旋注入，實現(xiàn)電子學(xué)、光子學(xué)和磁學(xué)三者的最終融合，從而提升現(xiàn)有器件的功能，近年來，磁性金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)成為研究的熱點，相關(guān)報道層出不窮[1-3].如在Ni/GaAs(110)、Fe/GaAs、Fe/ZnSe、Co/GaAs(110)等異質(zhì)結(jié)中均成功實現(xiàn)了室溫下磁性金屬向半導(dǎo)體材料的自旋注入[4-9]，其中在Fe/AlGaAs/GaAs結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e

向AlGaAs接觸層的自旋極化電子注入率高達(dá)30%～40%[9].從相關(guān)報道中可以發(fā)現(xiàn)，目前對磁性金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的研究大都集中于II-VI族、III-V族半導(dǎo)體，對于IV-VI族半導(dǎo)體較少涉及.與II-VI族、III-V族半導(dǎo)體相比，IV-VI族半導(dǎo)體具有更窄的帶隙寬度(室溫下一般為0.2～0.3 eV)、低的熱導(dǎo)率，價帶頂和導(dǎo)帶底均位于布里淵區(qū)的L點，帶隙具有負(fù)壓系數(shù)和正溫度系數(shù)，價帶頂中重空穴帶消失使俄歇復(fù)合率大幅度降低[10-14]，這些不同于II-VI族、III-V族半導(dǎo)體的物理性質(zhì)，可使磁性金屬在IV-VI族半導(dǎo)體中產(chǎn)生獨(dú)特的自旋注入特性.研究結(jié)果表明,磁性金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)構(gòu)、界面間相互作用等界面特性將直接影響電子自旋的注入效率，如磁性金屬與半導(dǎo)體的接觸界面形成隧道結(jié)則可以極大地提高自旋的注入效率[3]，而異質(zhì)結(jié)間的相互反應(yīng)則可阻礙電子自旋的注入，如在Fe/GaAs(001)中，金屬Fe與GaAs中As發(fā)生了反應(yīng)形成了FeAs化合物，導(dǎo)致在Fe/GaAs界面處形成了一個“死磁層”(magnetically dead layers)[15].

為此，本文利用分子束外延技術(shù)在BaF2(111)基底上制備了典型IV-VI族半導(dǎo)體PbTe薄膜，并利用X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)系統(tǒng)研究了磁性金屬Co在PbTe薄膜上的相互作用機(jī)理.

1 實驗細(xì)節(jié)

PbTe薄膜的制備以及Co金屬在PbTe薄膜表面的外延生長均是在固體源分子束外延超高真空系統(tǒng)中完成的，該系統(tǒng)分為進(jìn)樣室和外延室，兩室的本底真空分別為1.2×10-7Pa和4×10-5Pa.生長室中配備了Te、PbTe和Co固體源,純度均為99.999 9%.PbTe薄膜制備的基底選用新鮮解離的BaF2(111)，生長前，BaF2(111)基底先在進(jìn)樣室進(jìn)行除水汽處理，之后轉(zhuǎn)移到生長室，將BaF2(111)基底加熱到550 ℃保持約10 min，以進(jìn)一步去除附著在BaF2(111)基底表面的由C、H、O等構(gòu)成的雜質(zhì)，基底表面的清潔程度通過反射高能電子衍射(RHEED)進(jìn)行原位監(jiān)測.由于Te的飽和蒸氣壓較高，在生長過程中容易發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象，因此，制備PbTe薄膜時需同時開啟Te束源爐以平衡PbTe薄膜中Pb與Te的化學(xué)計量比.PbTe薄膜生長時的基底溫度為250 ℃，生長速率約為1 μm/h，厚度約為1 μm.薄膜厚度由石英晶振測厚儀原位檢測，并經(jīng)臺階儀測量標(biāo)定.PbTe薄膜制備完成后，等待基底溫度降到室溫后，開始沉積磁性金屬Co，沉積過程中Co束源爐的溫度控制為900 ℃，沉積速率約為0.20 ML/min，通過控制Co的沉積時間，我們制備了具有不同Co厚度的Co/PbTe異質(zhì)結(jié).利用X光電子能譜(XPS)技術(shù),對不同Co沉積厚度下的Co/PbTe樣品進(jìn)行了界面成鍵特性的測試，XPS使用的是Mg的Kα(1 253.6 eV).

2 實驗結(jié)果與分析

圖1(a)、(b)和(c)分別給出了不同Co沉積厚度下Co/PbTe樣品Te 3d、Pb 4f和Co 2p芯態(tài)的XPS能譜圖，選取的結(jié)合能范圍使我們能夠看到Te 3d、Pb 4f和Co 2p芯態(tài)的自旋-軌道分裂峰.為作比較，圖中最底部給出了未沉積Co的PbTe薄膜的XPS能譜圖，從下往上Co沉積厚度由0.00 ML增加到5.00 ML.由圖1(a)和(b)可知PbTe薄膜中Te 3d5/2和Pb 4f7/2的結(jié)合能分別為572.3 eV 和137.6 eV，與其他文獻(xiàn)中報道的PbTe化合物相對應(yīng)的Te 3d5/2和Pb 4f7/2的結(jié)合能基本吻合(見表1)[16-17]，表明薄膜制備過程中并未引入如碳、 氧等雜質(zhì)元素. 由于在BaF2(111)基底外延制備的PbTe薄膜為(111)取向[18]，而PbTe具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)，其(111)晶面由Pb層和Te層交替堆疊而成， 為判斷制備的PbTe薄膜是Pb 還是Te為截止面，對PbTe薄膜中Te 3d5/2和Pb 4f7/2芯態(tài)峰的面積進(jìn)行測量，得到兩者的比值為ITe3d5/2/IPb4f7/2≈1.02,由于元素芯態(tài)峰的面積主要取決于元素芯態(tài)的光電離截面及元素離最表面的距離，光電離截面越大、元素越靠近最表面則元素芯態(tài)峰的面積越大[19-21]，對于能量為1253.6 eV的入射光源，Te 3d5/2和Pb 4f7/2芯態(tài)的光電離截面分別為0.42 Mb和0.32 Mb[22]，其比值約為1.31，大于兩者的譜峰面積比，因此Pb元素應(yīng)該位于PbTe薄膜的最表面，才能使Te 3d5/2和Pb 4f7/2芯態(tài)峰的面積比接近于1.02.當(dāng)PbTe薄膜表面Co的沉積厚度θ≤0.35 ML時，圖1(c)中并未探測到Co 2p的芯態(tài)峰，與未沉積Co時相比，除了Te 3d的芯態(tài)峰向高結(jié)合能端發(fā)生了0.2 eV的偏移， Pb 4f芯態(tài)峰的位置并未改變,見圖1(a)和圖1(b).當(dāng)Co的沉積厚度達(dá)到0.55 ML時，在位于778.5 eV 和793.9 eV 的結(jié)合能處分別出現(xiàn)了Co 2p3/2和2p1/2的芯態(tài)峰，此時，Te 3d和Pb 4f芯態(tài)峰的強(qiáng)度均發(fā)生了明顯的衰減，當(dāng)繼續(xù)增加Co沉積厚度時，Co 2p芯態(tài)峰強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，且峰位向低結(jié)合能端發(fā)生偏移，當(dāng)θ=5.00 ML時，Co 2p3/2芯態(tài)峰的峰位位于778.5 eV，與金屬Co的峰位相接近(見表1).

圖1 不同Co沉積厚度下Co/PbTe樣品(a)Te 3d、(b)Pb 4f和(c)Co 2p芯態(tài)的XPS能譜圖

表1 Pb 4f和Te 3d幾個重要的化合狀態(tài)的芯態(tài)結(jié)合能

為進(jìn)一步揭示Co/PbTe界面的形成過程，對Te 3d5/2、Pb 4f7/2和Co 2p3/2芯態(tài)譜峰強(qiáng)度隨Co沉積厚度的演變進(jìn)行仔細(xì)分析，其結(jié)果如圖2所示.圖2中對于Te 3d5/2和Pb 4f7/2， 將未沉積Co

圖2 Te 3d5/2、Pb 4f7/2 和Co 2p3/2芯態(tài)譜峰強(qiáng)度隨Co沉積厚度的演化曲線

時的芯態(tài)譜峰強(qiáng)度記作I(0), 沉積金屬Co后的譜峰強(qiáng)度記作I(Θ)，對于Co 2p3/2，將Co的沉積厚度θ=0.55 ML時的譜峰強(qiáng)度記作I(0), θ>0.55 ML時的譜峰強(qiáng)度記作I(Θ)，把ln(I(Θ)/I(0))作為縱坐標(biāo)，Co沉積厚度作為橫坐標(biāo).從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Co的沉積厚度θ≤0.35 ML時，Te 3d5/2、Pb 4f7/2的譜峰強(qiáng)度幾乎沒有發(fā)生變化，而Co 2p3/2的譜峰強(qiáng)度始終為零，這表明在Co沉積的初期，沉積的金屬Co原子很可能擴(kuò)散進(jìn)入了PbTe薄膜內(nèi)部，導(dǎo)致即使Co的沉積厚度θ達(dá)到了0.35 ML，XPS測試中仍未探測到Co的信號峰.Co原子能向PbTe薄膜內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，跟Te、Pb、Co三種元素的原子半徑及電負(fù)性差異有關(guān)，三者的原子半徑依次為1.35 ?、1.75 ?和1.25 ?，可見三者中Co的原子半徑最小，只有Pb原子半徑的0.71；在電負(fù)性上，Te的電負(fù)性最大為2.10，而Pb和Co的電負(fù)性非常接近，分別為1.87和1.88.因此，當(dāng)Co沉積在以Pb為截止面的PbTe薄膜表面時，在第二層具有較強(qiáng)電負(fù)性的Te2-的作用下，Co原子會輕易地從比它大得多的最表面Pb2+原子間穿過，與位于第二層的Te2-成鍵[23]，甚至進(jìn)一步穿透第二層的Te2-到達(dá)更內(nèi)層的位置. 由圖1可知在Co原子沉積的初始階段，Te 3d芯態(tài)峰持續(xù)向高結(jié)合能端發(fā)生偏移，Co的沉積厚度θ=0.35 ML時，Te 3d5/2向高結(jié)合能端的偏移量達(dá)到了0.2 eV，但Pb 4f峰并沒有發(fā)生任何偏移，表明Co原子向PbTe薄膜內(nèi)部擴(kuò)散時并沒有取代晶格中Pb的位置，而是在間隙位與Te2-成鍵，在表面形成PbCoTe合金，由于Co的電負(fù)性略大于Pb，因此，相比于純PbTe，PbCoTe合金中Te將表現(xiàn)為失去電子，致使Te 3d5/2向高結(jié)合能端發(fā)生偏移.當(dāng)Co的沉積厚度增加到0.55 ML時，Co 2p信號峰開始出現(xiàn)，Te 3d5/2、Pb 4f7/2信號峰強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，表明Co在PbTe表面向內(nèi)部的擴(kuò)散是有限度的，當(dāng)Co的沉積厚度增加到0.55 ML時，Co在PbTe表面向內(nèi)部的擴(kuò)散已達(dá)到飽和，過量的Co原子在PbTe表面開始成核生長，當(dāng)繼續(xù)增加Co的沉積厚度時，發(fā)現(xiàn)Co 2p3/2的信號峰強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢增長，其峰強(qiáng)向低結(jié)合能端發(fā)生偏移，而Te 3d和Pb 4f信號峰強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢下降，當(dāng)Co的沉積厚度達(dá)5.00 ML時，Co 2p3/2的峰位向低結(jié)合能端偏移了0.4 eV, 與金屬Co的特征峰相接近(見表1)[24].Te 3d5/2、Pb 4f7/2和Co 2p3/2芯態(tài)譜峰的演化過程表明當(dāng)Co沉積厚度θ>0.35 ML時，Co原子開始在PbTe(111)薄膜表面以金屬Co團(tuán)簇的方式成核生長，圖3給出了Co在PbTe(111)薄膜表面生長的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖3 Co在PbTe(111)薄膜表面生長的結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

本文首先利用分子束外延技術(shù)在新鮮解離的BaF2(111)表面制備了高質(zhì)量的以Pb為截止面的PbTe(111)薄膜，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行磁性金屬Co的沉積，XPS結(jié)果顯示當(dāng)Co沉積厚度θ≤0.35ML時，并未探測到Co的信號峰，除了Te 3d峰位向高結(jié)合能端發(fā)生偏移，Te 3d和Pb 4f信號峰強(qiáng)度幾乎沒有改變，表明在Co沉積的初始階段，Co原子向PbTe(111)薄膜內(nèi)部發(fā)生了擴(kuò)散，以間隙位的方式形成了PbCoTe合金；當(dāng)Co沉積厚度θ>0.35 ML時，Co的信號峰開始出現(xiàn)，隨著Co沉積量的增加Co的信號峰強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢增加，其峰強(qiáng)向低結(jié)合能端發(fā)生偏移，而Te 3d和Pb 4f信號峰強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢下降，表明當(dāng)Co沉積厚度θ>0.35 ML時，Co原子開始在PbTe(111)薄膜表面以金屬Co團(tuán)簇的方式成核生長.