一种(In，Mn)As纳米线及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种(In，Mn)As纳米线及其制备方法，纳米线沿晶向排列，其外延生长于GaAs(001)单晶衬底上，横躺与GaAs(001)单晶表面。In1-xMnxAs(0.3≤x≤0.5)为外延生长且横躺于GaAs(001)单晶表面的纳米线，保持GaAs(001)单晶的闪锌矿结构，自发沿晶向排列，因而具有沿着方向的磁各向异性；所发明专利技术的(In，Mn)As纳米线制备方法，利用分子束外延技术与设备，以GaAs(001)单晶为衬底，提高Mn在In、Mn元素中的原子百分含量至30-50％，并采用间隙式生长方式，得到了外延且横躺于GaAs(001)单晶表面、具有单轴各向异性的(In，Mn)As纳米线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高Mn含量的(In，Mn)As纳米线技术，特别是一种(In，Mn)AS纳米线及其制备方法。
技术介绍
磁性半导体材料在同一材料中将电子的自旋输运特性与半导体特性相结合，是一类具有自旋极化的半导体材料。在众多磁性半导体材料中，外延生长于GaAs(OOl)单晶衬底表面的(IrvxMnx) As (χ彡0. 12，χ为原子比)稀磁半导体薄膜由于多次被报道具有室温铁磁性，而成为理论和实验物理学家共同关注的材料。由于(IrvxMnx) As12)薄膜与 GaAs(OOl)衬底之间存在着较大的晶格失配度，因此，为了得到连续外延单晶薄膜，需要以较低的生长温度来抑制由于晶格失配带来的压应力而引起的三维生长模式。较低的生长温度(通常不高于300°C )及较高的Mn含量(0. 08彡χ彡0. 12，相对高于GaMnAs材料中的 Mn含量)，带来了(In，Mn)AS薄膜中的大量缺陷。实验证实，在低温下，进一步提高Mn的含量(χ > 0. 12)，将导致(In，Mn) As薄膜成为多晶状态。而由于Mn是(In，Mn) As材料中自旋的来源，之前的报道指出将(In，Mn)As生长成GaAs(OOl)表面的量子点(纳米点)能够有效提高Mn的含量(χ > 0. 12)。在GaAs (001)单晶衬底表面得到(In，Mn) As纳米点的方法在于提高材料的生长温度，从(In，Mn)As薄膜的生长温度O00-300°C )提高至380°C。研究已经证实， 在GaAs(OOl)单晶衬底上，(In，Mn)As纳米点在应力作用下的异质外延生长模式属于 Stranski-Krastanov(S-K)模式。系统的研究已表明，在S-K模式下，提高外延生长的温度，可以增加沉积原子在衬底表面的迁移率；再通过成分控制异质外延的晶格失配度，则有机会由纳米点发生形状转变得到纳米线。在Si (001)单晶表面生长的Ag纳米线以及在 Ge(OOl)单晶表面生长的!^e13Ge58纳米线便是该生长模式得到纳米线的典型例子。而在已有的关于(In，Mn) As/GaAs (001)异质外延体系的研究中，或者将生长温度控制在200-300°C 的范围得到二维薄膜，或者将生长温度提升至380°C得到纳米点，没有得到(In，Mn)AS纳米线的专利技术报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用应力作用下异质外延生长过程中的S-K生长模式，得到外延且横躺于GaAs (001)单晶表面的(In，Mn) As铁磁半导体纳米线，应用旋电子学领域。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种(111^1^8纳米线，纳米线沿[110]0^5晶向排列，其外延生长于GaAs(OOl)单晶衬底上，横躺与GaAs(OOl)单晶表面。一种(In，Mn) As纳米线的制备方法，包括以下步骤(1)完成分子束外延设备/系统的各项生长准备程序确认系统中安装有In、Mn、 Ga、As源；在超净间将GaAs (001)单晶衬底切割并用h粘附于样品台上；在进出腔中对于衬底及样品台进行去水气烘烤，在缓冲腔中对于衬底及样品台进行去有机杂质的烘烤；用3液氮冷却生长腔，以提高背景真空度；(2)在生长腔中外延生长GaAs (001)高温缓冲层，以提高异质生长的界面质量；然后降温至设定生长温度，生长InAs浸润层，随后在该生长温度采用间歇式沉积的方法生长 (In，Mn) As 纳米线；(3)沉积结束后将衬底温度降温，将样品连同样品台自缓冲腔和进出腔取出，并从样品台上取下。本专利技术与现有技术相比，其显著优点Ini_xMnxAS(0.3<X<0.5)为外延生长且横躺于GaAs(OOl)单晶表面的纳米线，保持GaAs (001)单晶的闪锌矿结构，自发沿[ilO]GaAs 晶向排列，因而具有沿着[ilO]GaAs方向的磁各向异性；所专利技术的(In，Mn)As纳米线制备方法，利用分子束外延技术与设备，以GaAs(OOl)单晶为衬底，提高生长温度至440-560°C，提高Mn在In、Mn元素中的原子百分含量至30-50%，并采用间隙式生长方式，实现了 S-K生长模式中纳米线的生长，得到了外延且横躺于GaAs(OOl)单晶表面、具有单轴各向异性的 (In，Mn) As 纳米线。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。 附图说明图1是利用本专利技术的制备方法得到的^vxMnxAsAiaAs(OOl)的原子力显微镜 (AFM)表面形貌图。图2是在不同生长温度下得到的Ina56Mna44As纳米结构的AFM表面形貌图。图3 是在 500°C 生长得到的 Inl-xMnxAs(x = 0. 22，0. 33，0. 44)的 χ 射线衍射 (XRD)结果。图4是在500°C生长得到的56MnO. 44As纳米线横截面透射电镜(TEM)照片。图5是在500°C生长得到的hO. 56MnO. 44As纳米线的热磁曲线和磁滞回线(插图)，分别沿纳米线自发排列方向和垂直方向测量。具体实施例方式本专利技术(In，Mn) As纳米线及其制备方法，与(In，Mn) As/GaAs (OOl)薄膜生长技术中通过低温O00-300°C )抑制晶格失配应力带来的S-K三维生长模式相反，与(In，Mn)AS/ GaAs(OOl)纳米点生长过程中将温度控制在380°C附近不同，本专利技术中通过提高(In，Mn)AS 在GaAs(OOl)单晶表面的生长温度G40-560°C )，提高沉积原子在GaAs (OOl)表面的迁移能力，同时本专利技术中通过提高(IrvxMnx)As中Mn的原子含量至χ彡0.5，使得(In，Mn)AS在生长过程中满足了纳米线形成对于晶格失配度和原子表面迁移率等要求，从而得到外延生长且横躺于GaAs (OOl)表面并有一定晶向对应关系的(In，Mn) As纳米线。即利用分子束外延技术生长于GaAs (OOl)单晶衬底表面，首先在衬底表面生长GaAs高温缓冲层，然后降温至设定生长温度到560°C )，生长1-1. 5个分子层的InAs浸润层，随后以间歇式生长方式沉积高Mn浓度的(In，Mn)AS，即每沉积10-20秒，间歇1_3分钟，通过控制生长温度、Mn的浓度等，得到(In，Mn)As纳米线，该纳米线沿[ 10]GaAs晶向排列，其外延生长于GaAs(OOl)单晶衬底上，横躺与GaAs(OOl)单晶表面。具有沿着排列方向即[ 10]GaAs晶向的磁各向异性，即以该方向为易磁化方向。Mn在h、Mn总含量中原子百分比高达30-50 %， 即在IrvxMnxAs表示方法中，0. 30彡χ彡0. 50。本专利技术所得(In，Mn)As纳米线的形貌受到生长条件的影响。图1说明了 Mn的浓度对于沉积样品形貌的影响。图1是利用本专利技术的制备方法得到的MhMnxAsAiaAs(OOl) 的原子力显微镜(AFM)表面形貌图，其中(a) :x = 0，(b) :χ = 0. 11, (c) :x = 0. 22，(d) :x =0. 33。样品的累计沉积时间为40秒，生长温度为500°C，已注明上述AFM图像中扫描范围及晶向对应关系。(a)为生长于GaAs (001)单晶衬底表面的InAs半导体量子点。图1 (b)、 (c)、(d)三幅原子力显微镜(AFM)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种(In，Mn)As纳米线，其特征在于纳米线沿[ilO]GaAs晶向排列，其外延生长于 GaAs(OOl)单晶衬底上，横躺与GaAs(OOl)单晶表面。2.根据权利要求1所述的(In，Mn)As纳米线，其特征在于具有沿着排列方向即 [l_10]GaAs晶向的磁各向异性，即以该方向为易磁化方向。3.根据权利要求1所述的(In，Mn)As纳米线，其特征在于Mn在In、Mn总含量中原子百分比高达30-50%，即在IrvxMnxAs表示方法中，0. 30彡χ彡0. 50。4.一种(In，Mn)As纳米线的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)完成分子束外延设备/系统的各项生长准备程序确认系统中安装有In、Mn、Ga、 As源；在超净间将GaAs (001)单晶衬底切割并用化粘附于样品台上；在进出腔中对于衬底及样品台进行去水气烘烤，在缓冲腔中对于衬底及样品台进行去有机杂质的烘烤；用液氮冷却生长腔，以提高背景真空度；(2)在生长腔中外延生长GaAs(001)高温缓冲层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐锋，陈光，杜宇雷，李永胜，
申请(专利权)人：无锡南理工科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：