[发明专利]一种(In，Mn)As纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高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。

背景技术

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(001)单晶衬底表面的(In_1-xMn_x)As(x≤0.12，x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(In_1-xMn_x)As(x≤0.12)薄膜与GaAs(001)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℃)及较高的Mn含量(0.08≤x≤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(x＞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(001)表面的量子点(纳米点)能够有效提高Mn的含量(x＞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(200-300℃)提高至380℃。研究已经证实，在GaAs(001)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(001)单晶表面生长的Fe₁₃Ge₈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℃的范围得到二维薄膜，或者将生长温度提升至380℃得到纳米点，没有得到(In，Mn)As纳米线的发明报道。

发明内容

本发明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。实现本发明目的的技术解决方案为：一种(In，Mn)As纳米线，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。

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In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，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。

本发明与现有技术相比，其显著优点：In_1-xMn_xAs(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，提高生长温度至440-560℃，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(001)单晶表面、具有单轴各向异性的(In，Mn)As纳米线。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明