CN114427114B - 一种锰碲掺杂锗量子点及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于量子点技术领域，提供了一种锰碲掺杂锗量子点及其制备方法和应用。本发明提供的锰碲掺杂锗量子点，相比MnxGe1‑x量子点掺杂了碲，碲的掺杂减少了Mn沉淀析出相的含量，提高了离子相(Mn2+)的掺杂量，进而提高了所得锰碲掺杂锗量子点的居里温度和磁矩，进而使其能够更好地作为半导体材料应用于自旋场效应晶体管和储存器中。实施例表明，本发明的锰碲掺杂锗量子点的密度为300～625/μm‑2，居里温度为27～319K(超过室温)，剩磁为0.5×10‑5～1.6×10‑5emu/mm2，矫顽力为182～307Oe，磁饱和强度为3000～6150Oe。

Description

一种锰碲掺杂锗量子点及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及量子点技术领域，尤其涉及一种锰碲掺杂锗量子点及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，已经实现了对电子电荷的操控，但是对于自旋器件的研究还有较大的提升空间。具备高居里温度及可调控的大磁矩的半导体，作为一种可提供自旋注入源的材料，在实现量子传输，降低器件功耗与提升器件响应速度等方面有着巨大的应用潜力。人们也在寻找一类可同时操控光、磁、电信号的全新的材料。“自旋电子学”已成为信息工程及磁学领域的新兴学科，具备铁磁性的半导体(FMS)就成为实现这一目标的最佳候选材料之一。
然而，人们在实验室中还未能制备出可在室温下稳定运行的本征磁性功能材料。传统的半导体材料是以Si为基础，并且在IV族半导体Ge材料中掺入磁性金属过渡元素以形成稀磁Ge半导体，这类半导体材料不仅具有较高的居里温度(TC)、良好的电子传输性能，还与目前广泛应用的Si基半导体CMOS工艺兼容。相对比传统的半导体器件，自旋电子器件具有速度更快、能耗更低、体积更小等优点，且由于在电荷传输(电子和空穴)的基础上加入了信息传输(电子自旋)，形成了多载流子的现象，这就延伸了传统半导体材料的功能及应用领域，例如集储存器及高效量子计算于一体的器件。
量子点由于显著的量子限制效应带来的物理特性，对载流子传输、自旋寿命、自旋相互作用、提高铁磁性有一定的影响。目前，应用最多的量子点为MnxGe1-x，但是，上述该量子点依然存在居里温度低、磁矩小的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锰碲掺杂锗量子点及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法得到的锰碲掺杂锗量子点具有高居里温度和大磁矩。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种锰碲掺杂锗量子点，化学组成如下：Ge1-x-yMnxTey，0.001≤x≤0.120，0.003≤y≤0.052；所述锰碲掺杂锗量子点中Mn以沉积析出相和离子相存在；以原子含量计，离子相Mn的含量为50～90％，沉淀析出相Mn的含量为10～50％。
本发明还提供了上述技术方案所述的锰碲掺杂锗量子点的制备方法，包括以下步骤：
采用离子束溅射在缓冲层上依次制备锰碲掺杂锗量子点多晶和覆盖层，得到前驱体；
将所述前驱体进行原位退火处理，在所述缓冲层和覆盖层之间形成所述锰碲掺杂锗量子点。
优选地，所述缓冲层包括硅层，所述缓冲层的厚度为30～60nm。
优选地，制备所述锰碲掺杂锗量子点多晶的离子束溅射的靶材为贴片式靶材；所述贴片式靶材包括锗单晶靶材和贴在所述锗单晶靶材上的锰片和碲片。
优选地，所述贴片式靶材中包括碲片13片/个，锰片16片/个；所述碲片和锰片的尺寸一致。
优选地，所述贴片式靶材的制备方法包括以下步骤：
在距锗单晶靶材中心处对角线八分之一位置贴锰片4片；
在距锗单晶靶材中心处对角线八分之三位置贴锰片4片；
在锗单晶靶材顶边与中线之间再取一条中线，所述中线为距离顶边八分之一，将所述中线三等分，在中间两等分点上分别对称贴上锰片8片；
在锗单晶靶材中心处贴碲片1片；
在锗单晶靶材中心处以八分之三对角线长度为半径的圆进行八等分，并在圆周上等距贴上8片碲片；
在距锗单晶靶材顶边中心十四分之一边长处贴碲片4片。
优选地，所述锰碲掺杂锗量子点多晶的离子束溅射参数包括：工作气体包括氩气，真空室本底真空度为2.0×10-4Pa～3.0×10-4Pa，温度为700～800℃，工作压力为1.1×10- 2Pa～2.0×10-2Pa，束流电压为0.5～1.5kV，放电电压为50～100V，加速电压为50～120V，束流为2～15mA。
优选地，所述原位退火处理的温度为700～800℃，时间为10～30min。
本发明还提供了上述技术方案所述的锰碲掺杂锗量子点或上述技术方案所述的制备方法得到的锰碲掺杂锗量子点作为半导体材料在自旋场效应晶体管或储存器中的应用。
本发明提供了一种锰碲掺杂锗量子点，化学组成如下：Ge1-x-yMnxTey，0.001≤x≤0.120，0.003≤y≤0.052；所述锰碲掺杂锗量子点中Mn以沉积析出相和离子相存在；以原子含量计，离子相Mn的含量为50～90％，沉淀析出相Mn的含量为10～50％。本发明提供的锰碲掺杂锗量子点，相比MnxGe1-x量子点掺杂了碲，碲的掺杂减少了Mn沉淀析出相的含量，提高了锰离子相(Mn2+)的掺杂量，进而提高了所得锰碲掺杂锗量子点的居里温度和磁矩。同时，Mn和Te掺杂Ge形成了结构反演非对称(SIA)，进而引发Rashaba效应及轨道耦合，因轨道耦合而产生了价带劈裂增生，产生了额外的非平衡自旋空穴，本发明通过Mn、Ge和Te共掺杂实现了更加高效的局域Mn离子与空穴载流子交换耦合，从而得到了更高的居里温度，更大的单位磁矩和矫顽力及剩磁。实施例的数据表明，本发明所得锰碲掺杂锗量子点的密度为300～625/μm-2，居里温度为27～319K(超过室温)，剩磁为0.5×10-5～1.6×10-5emu/mm2，矫顽力为182～307Oe，磁饱和强度为3000～6150Oe。
本发明提供了上述技术方案所述的锰碲掺杂锗量子点的制备方法，包括以下步骤：采用离子束溅射在缓冲层上依次制备锰碲掺杂锗量子点多晶和覆盖层，得到前驱体；将所述前驱体进行原位退火处理，在所述缓冲层和覆盖层之间形成所述锰碲掺杂锗量子点。本发明提供的制备方法在缓冲层上制备锰碲掺杂锗量子点多晶，能够提高所得锰碲掺杂锗量子点的平整度；同时，覆盖层的设置能够避免锰碲掺杂锗量子点的氧化；原位退火处理能够提高锰碲掺杂锗量子点多晶的结晶性。本发明提供的制备方法操作简单、易于工业化，且成功制得了锰碲掺杂锗量子点。
进一步地，贴片式靶材的制备方法能够提高制备锰碲掺杂锗量子点的重复率。
本发明还提供了上述技术方案所述的锰碲掺杂锗量子点或上述技术方案所述的制备方法得到的锰碲掺杂锗量子点作为半导体材料在自旋场效应晶体管和储存器中的应用。由于本发明提供的锰碲掺杂锗量子点具有高居里温度和磁矩，使其能够更好地应用于自旋磁场效应晶体管和储存器中。
附图说明
图1为自旋场效应晶体管的结构示意图；
图2为实施例1中贴片式靶材的结构示意图；
图3为实施例1所得Ge0.875Mn0.076Te0.049薄膜层的XPS图；
图4为实施例2所得Ge0.87Mn0.081Te0.049薄膜层的EDS图；
图5为实施例2所得Ge0.87Mn0.081Te0.049薄膜层的XPS图；
图6为实施例2所得Ge0.87Mn0.081Te0.049薄膜层的居里温度拟合及AFM3D形貌图；
图7为实施例2所得Ge0.87Mn0.081Te0.049和对比例1所得Mn0.036Ge0.964的磁滞回线图；
图8为实施例3所得Ge0.875Mn0.077Te0.048薄膜层的XPS图；
图9为实施例4所得Ge0.87Mn0.077Te0.053薄膜层的XPS图；
图10为对比例1中靶材的贴片方式示意图；
图11为对比例1所得Mn0.036Ge0.964薄膜层的居里温度拟合及AFM 3D形貌图；
图12为对比例1所得Mn0.036Ge0.964薄膜层的XPS图。
具体实施方式
本发明提供了一种锰碲掺杂锗量子点，化学组成如下：Ge1-x-yMnxTey，0.001≤x≤0.120，0.003≤y≤0.052；所述锰碲掺杂锗量子点中Mn以沉积析出相和离子相存在；以原子含量计，离子相Mn的含量为50～90％，沉淀析出相Mn的含量为10～50％。
在本发明中，所述x优选为0.01≤x≤0.120，进一步优选为0.02≤x≤0.05。在本发明中，所述y优选为0.01≤y≤0.052，进一步优选为0.03≤y≤0.050。
在本发明中，以原子含量计，离子相Mn的含量优选为60～85％；沉淀析出相Mn的含量优选为15～40％。
在本发明的具体实施例中，所述锰碲掺杂锗量子点的化学式具体优选为Ge0.92Mn0.038Te0.042、Ge0.83Mn0.117Te0.053、Ge0.87Mn0.081Te0.049、Ge0.875Mn0.076Te0.049、Ge0.87Mn0.077Te0.053或Ge0.875Mn0.077Te0.048，进一步优选为Ge0.87Mn0.081Te0.049、Ge0.875Mn0.076Te0.049、Ge0.87Mn0.077Te0.053或Ge0.875Mn0.077Te0.048。
本发明还提供了上述技术方案所述的锰碲掺杂锗量子点的制备方法，包括以下步骤：
采用离子束溅射在缓冲层上依次制备锰碲掺杂锗量子点多晶和覆盖层，得到前驱体；
将所述前驱体进行原位退火处理，在所述缓冲层和覆盖层之间形成所述锰碲掺杂锗量子点。
在本发明中，如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。
本发明采用离子束溅射在缓冲层上依次制备锰碲掺杂锗量子点多晶和覆盖层，得到前驱体。
在本发明中，所述缓冲层优选沉积在基板。在本发明中，所述基板优选根据所述锰碲掺杂锗量子点的应用情况进行选择，具体如：当所述锰碲掺杂锗量子点应用于自旋场效应晶体管；所述自旋场效应晶体管具有如图1所示的结构。如图1所示，所述自旋场效应晶体管优选包括绝缘衬底1；依次设置在所述绝缘衬底1上的第一半导体层2和第二半导体层3；其中，所述第二半导体层3部分覆盖所述第一半导体层2，所述第一半导体层2上未被覆盖区域上设置介电层6；分别设置在所述第二半导体层上两端的源电极4和漏电极5；设置在所述源电极4和漏电极5之间以及覆盖在所述源电极和漏电极上的所述介电层6，以及，设置在所述源电极4和漏电极5之间的所述介电层6上的栅极7。当本发明提供的锰碲掺杂锗量子点应用于具有上述结构的自旋场效应晶体管时，优选作为第一半导体层和/或第二半导体层；当所述锰碲掺杂锗量子点作为第一半导体层时，所述基板优选为自旋场效应晶体管中的绝缘衬底1，即所述缓冲层沉积在所述绝缘衬底1上；当所述锰碲掺杂锗量子点作为第二半导体层的材质，所述基板优选为第一半导体层，即所述缓冲层沉积在所述第一半导体层上。
在本发明的具体实施例中，为了单纯的研究所述锰碲掺杂锗量子点的结构，本发明的缓冲层优选沉积在硅基板上。在本发明中，所述硅基板在使用前，优选进行Shiraki清洗，本发明对所述Shiraki清洗的参数不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作参数即可。
在本发明中，所述缓冲层优选包括硅层。在本发明中，所述缓冲层的厚度优选为30～60nm。在本发明中，所述缓冲层优选通过离子束溅射得到。在本发明中，所述缓冲层优选为硅层时，所述缓冲层的离子束溅射参数包括：工作气体优选包括氩气，真空室本底真空度优选为2.0×10-4Pa～3.0×10-4Pa，温度优选为700～800℃，工作压力优选为1.1×10-2Pa～2.0×10-2Pa，束流电压优选为0.5～1.5kV，放电电压优选为50～100V，加速电压优选为50～120V，束流优选为2～15mA，时间优选为30～60min。在本发明中，所述氩气的纯度优选为99％～99.9999％。在本发明中，所述缓冲层的离子束溅射的靶材优选包括硅靶材，所述硅靶材的纯度优选为99％～99.9999％。
在本发明中，制备所述锰碲掺杂锗量子点多晶的离子束溅射的靶材优选为贴片式靶材；所述贴片式靶材包括锗单晶靶材和贴在所述锗单晶靶材上的锰片和碲片。在本发明中，所述贴片式靶材中优选包括碲片13片/个，锰片16片/个；所述碲片和锰片的尺寸一致。在本发明中，所述锗单晶靶材的纯度优选为99％～99.999％，所述锰片的纯度优选为99％～99.999％，所述碲片的纯度优选为99％～99.999％。在本发明中，所述贴片式靶材的结构示意图如图2所示。
在本发明中，所述贴片式靶材的制备方法优选包括以下步骤：
在距锗单晶靶材中心处对角线八分之一位置贴锰片4片；
在距锗单晶靶材中心处对角线八分之三位置贴锰片4片；
在锗单晶靶材顶边与中线之间再取一条中线，所述中线为距离顶边八分之一，将所述中线三等分，在中间两等分点上分别对称贴上锰片8片；
在锗单晶靶材中心处贴碲片1片；
在锗单晶靶材中心处以八分之三对角线长度为半径的圆进行八等分，并在圆周上等距贴上8片碲片；
在距锗单晶靶材顶边中心十四分之一边长处贴碲片4片。
在本发明中，所述贴片式靶材的制备方法能够提高锰碲掺杂锗量子点的制备重复率。
在本发明中，所述锰碲掺杂锗量子点多晶的厚度优选根据实际需要进行设定。
在本发明中，所述锰碲掺杂锗量子点多晶的离子束溅射参数优选与硅缓冲层的离子束溅射参数一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述覆盖层的目的为保护锰碲掺杂锗量子点层中的锰碲掺杂锗量子点不被氧化。在本发明中，所述覆盖层的材质优选根据所述锰碲掺杂锗量子点的应用情况进行选择，优选以图1所示的自旋场效应晶体管为例，不论所述锰碲掺杂锗量子点作为第一半导体层还是第二半导体层，由于所述第一半导体层上设置有第二半导体层，所述第二半导体层设置有介电层或源电极或漏电极；即锰碲掺杂锗量子点层上均设置有功能层，这些功能层的存在足以防止锰碲掺杂锗量子点层中锰碲掺杂锗量子点的氧化，因而可以作为覆盖层。
在本发明的具体实施例中，为了单纯的研究所述锰碲掺杂锗量子点的结构，本发明的覆盖层的材质优选包括硅。在本发明中，所述覆盖层的厚度优选为100～200nm。在本发明中，当所述覆盖层的材质为硅时，所述覆盖层的离子束溅射的参数优选与上述技术方案硅缓冲层的离子束溅射参数一致，在此不再赘述。
得到前驱体后，本发明将所述前驱体进行原位退火处理，在所述缓冲层和覆盖层之间形成所述锰碲掺杂锗量子点。
在本发明中，所述原位退火处理的温度优选为700～800℃；所述原位退火的时间优选为10～30min。在本发明中，所述原位退火处理能够提高锰碲掺杂锗量子点多晶的结晶性。
所述原位退火处理后，本发明优选还包括自然降温至室温。
本发明还提供了上述技术方案所述的锰碲掺杂锗量子点或上述技术方案所述的制备方法得到的锰碲掺杂锗量子点作为半导体材料在自旋场效应晶体管和储存器中的应用。
在本发明中，当所述锰碲掺杂锗量子点作为半导体材料应用于自旋场效应晶体管和储存器中时，本发明对所述锰碲掺杂锗量子点的用量和溅射厚度不做具体限定，本领域技术人员根据实际需求进行设定即可。
下面结合实施例对本发明提供的一种锰碲掺杂锗量子点及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
所用设备为FJL5600III型超高真空多靶磁控与离子束联合溅射设备的离子束溅射室，生长室内安置一个考夫曼离子枪所用Si靶、Ge靶均为5N(99.999％以上)的高纯度靶材，所用Mn靶与Te靶为单面抛光Mn及Te金属片，实验所用靶材采用贴片形式制备。所用的Si基底材料采用是晶向为(100)的P型单抛单晶Si片，电阻率为5～8Ω/cm，厚度为525±10μm。
一、靶材的制备方法为使用(70×70×5.0mm 99.999％)单晶Ge靶材，均匀使用耐高温双面胶贴上16片(5×5×1.0mm 99.999％)单抛Mn片，13片(5×5×1.0mm 99.999％)Te片，贴片方式如图2所示，贴片步骤为：
1.在Ge靶中心处对角线0.85cm处贴Mn靶4片。
2.在Ge靶中心处对角线3.5cm处贴Mn靶4片。
3.在Ge靶材顶边与中线之前再取一条中线，中线为距离顶边1.75cm，将此中线三等分，在中间两等分点上分别对称贴上Mn靶8片。
4.在Ge靶中心处处贴Te靶1片。
5.在Ge靶中心处以2cm为半径的圆进行八等分，并在圆周上等距贴上8片Te片。
6.在距Ge靶顶边中心0.5cm处贴上Te靶4片。
二、在离子束溅射之，预先使用现有Shiraki方法清洗Si衬底。
三、离子束溅射生长Ge1-x-yMnxTey量子点。将预处理后的Si基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待本底真空度小于2.7×10-4Pa，调整温度为800℃，并保持14min，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气，使压强保持为1.1×10-2Pa，束流电压为1.4kV，放电电压为50V，加速电压为69V，束流为6mA，溅射得到厚度约为55nm的Si缓冲层。Si缓冲层生长完毕后立即在800℃继续生长Ge0.875Mn0.076Te0.049层，束流电压为1.4kV，放电电压为50V，加速电压为69V，束流为14mA，溅射得到厚度为7nm的Ge0.875Mn0.076Te0.049层。随后在相同的离子束溅射条件下，切换硅靶材，继续生长130nm的Si覆盖层。在Si覆盖层生长完成后，进行原位退火保温10min，以提高材料的结晶性。并且需等待(4h)样品冷却到室温后方可取出，以防止氧化及变性。
图3为所得Ge0.875Mn0.076Te0.049薄膜层的XPS图。从图3可以看出：以原子含量计，所得Ge0.875Mn0.076Te0.049中沉淀析出锰的原子含量为30.7％，离子相(Mn2+)的原子含量为69.3％，有利于提高所得量子点的磁学性能。
所得Ge0.875Mn0.076Te0.049量子点密度达到325μm-2，且居里温度292K，剩磁达到1.51×10-5emu/mm2，矫顽力达到298Oe，磁饱和强度达到5635Oe。
实施例2
一、靶材的制备方法为使用(70×70×5.0mm 99.999％)单晶Ge靶材，均匀使用耐高温双面胶贴上16片(5×5×1.0mm 99.99％)单抛Mn片，13片(5×5×1.0mm 99.99％)Te片，贴片方式和步骤同实施例1。
二、同实施例1。
三、离子束溅射生长Ge1-x-yMnxTey量子点。将预处理后的Si基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待本底真空度小于3.0×10-4Pa，调整温度为750℃，并保持10min，向溅射室内充入纯度5N的Ar气，使压强保持为2.0×10-2Pa，束流电压为1kV，放电电压为75V，加速电压为1V，束流为7mA，溅射厚度约为50nm的Si缓冲层。Si缓冲层生长完毕后立即在750℃继续生长Ge0.87Mn0.081Te0.049层，束流电压为1.0kV，放电电压为75V，加速电压为100V，束流为7mA，生长约为3nm的Ge0.87Mn0.081Te0.049层。随后在相同的离子束溅射条件下，切换硅靶材，继续生长150nm的Si覆盖层。在Si覆盖层生长完成后，进行原位退火保温18min，以提高材料的结晶性。并且需等待(2h)样品冷却到室温后方可取出，以防止氧化。
所得Ge0.87Mn0.081Te0.049薄膜层的EDS图如图4所示。从图4可以看出：可以看出Mn及Te均掺杂成功，其掺杂浓度由元素EDS面积分布可知，分别为8.1％和4.9％。
图5为所得Ge0.87Mn0.081Te0.049薄膜层的XPS图。从图5可以看出：以原子含量计，所得Ge0.87Mn0.081Te0.049中沉淀析出锰的原子含量为16.1％，离子相(Mn2+)的原子含量为83.9％，有利于提高所得量子点的磁学性能。
图6为所得Ge0.87Mn0.081Te0.049薄膜层的居里温度拟合及AFM3D形貌图，从图6可以看出：所得Ge0.87Mn0.081Te0.049量子点的密度为625/μm-2，居里温度为319K(超过室温)。
图7为所得Ge0.87Mn0.081Te0.049薄膜层的磁滞回线图，从图7可以看出，所得Ge0.87Mn0.081Te0.049的剩磁为1.6×10-5emu/mm2，矫顽力为307Oe，磁饱和强度为6150Oe。
实施例3
一、靶材的制备方法为使用(70×70×5.0mm 99.999％)单晶Ge靶材，均匀使用耐高温双面胶贴上16片(5×5×1.0mm 99.999％)单抛Mn片，13片(5×5×1.0mm 99.99％)Te片，贴片方式和步骤同实施例1。
二、同实施例1。
三、离子束溅射生长Ge1-x-yMnxTey量子点。将预处理后的Si基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待本底真空度小于3.0×10-4Pa，调整温度为750℃，并保持10min，向溅射室内充入纯度为4N的Ar气，使压强保持为1.5×10-2Pa，束流电压为1.1kV，放电电压为70V，加速电压为100V，束流为6mA，溅射厚度约为80nm的Si缓冲层。Si缓冲层生长完毕后立即在780℃继续生长Ge0.875Mn0.077Te0.048层，束流电压为1.1kV，放电电压为75V，加速电压为100V，束流为10mA，生长约为10nm的Ge0.875Mn0.077Te0.048层。随后在相同的离子束溅射条件下，切换硅靶材，继续生长180nm的Si覆盖层。在Si覆盖层生长完成后，进行原位退火保温15min，以提高材料的结晶性。并且需等待(4h)样品冷却到室温后方可取出，以防止氧化及变性。
图8为所得Ge0.875Mn0.077Te0.048薄膜层的XPS图。从图8可以看出：所得Ge0.875Mn0.077Te0.048中沉淀析出锰的原子含量为48.8％，离子相(Mn2+)原子含量为51.2％，有利于提高所得量子点的磁学性能。
所得Ge0.875Mn0.077Te0.048量子点的密度为431/μm-2，居里温度为292K，剩磁为1.1×10-5emu/mm2，矫顽力为262Oe，磁饱和强度为4600Oe。
实施例4
一、靶材的制备方法为使用(70×70×5.0mm 99.999％)单晶Ge靶材，均匀使用耐高温双面胶贴上16片(5×5×1.0mm 99.999％)单抛Mn片，13片(5×5×1.0mm 99.999％)Te片，贴片方式和步骤同实施例1。
二、同实施例1。
三、离子束溅射生长Ge1-x-yMnxTey量子点。将预处理后的Si基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待本底真空度小于3.0×10-4Pa，调整温度为750℃，并保持10min，向溅射室内充入纯度为4N的Ar气，使压强保持为1.5×10-2Pa，束流电压为1.1kV，放电电压为70V，加速电压为100V，束流为7mA，溅射得到厚度约为80nm的Si缓冲层。Si缓冲层生长完毕后立即在780℃继续生长Ge0.87Mn0.077Te0.053层，束流电压为1.1kV，放电电压为75V，加速电压为100V，束流为10mA，溅射得到厚度约为10nm的Ge0.87Mn0.077Te0.053层。随后在相同的离子束溅射条件下，切换硅靶材，继续生长100nm的Si覆盖层。在Si覆盖层生长完成后，进行原位退火保温12min，以提高材料的结晶性。并且需等待(3h)样品冷却到室温后取出，以防止氧化及变性。
图9为所得Ge0.87Mn0.077Te0.053薄膜层的XPS图。从图9可以看出：所得Ge0.87Mn0.077Te0.053中沉淀析出锰的原子含量为35.1％，离子相(Mn2+)原子含量为64.9％。
所得Ge0.87Mn0.077Te0.053量子点的密度为531/μm-2，居里温度为302K，剩磁为1.3×10-5emu/mm2，矫顽力为295Oe，磁饱和强度为5700Oe。
对比例1
所用设备为FJL5600III型超高真空多靶磁控与离子束联合溅射设备的离子束溅射室，生长室内安置一个考夫曼离子枪所用Si靶、Ge靶均为5N(99.999％以上)的高纯度靶材，所用Mn靶与Te靶为单面抛光Mn及Te金属片，实验所用靶材采用贴片形式制备。所用的Si基底材料采用是晶向为(100)的P型单抛单晶Si片，电阻率为5～8Ω/cm，厚度为525±10μm。
具体步骤如下：
一、靶材的制备，贴片方式如图10所示。
1.在Ge靶(70mm×70mm)中心处对角线0.85cm处贴Mn靶4片。
2.在Ge靶中心处对角线3.5cm处贴Mn靶4片。
3.在Ge靶材顶边与中线之前再取一条中线，为距离顶边1.75cm，将此线三等分，在中间两等分点上分别对称贴上Mn靶8片。
二、同实施例1。
三、离子束溅射生长Mn0.036Ge0.964量子点，将预处理后的Si基底材料用高纯氮气吹干，置于溅射室内，待本底真空度小于3.0×10-4Pa，调整温度为740℃，并保持20min，向溅射室内充入5N的Ar气，使压强保持为2.0×10-2Pa，束流电压为0.8kV，放电电压为86V，加速电压为100V，溅射厚度约为50nm的Si缓冲层。Si缓冲层生长完毕后立即在750℃继续生长MnGe层，溅射束流为5mA，束流电压为0.8kV，放电电压为86V，加速电压为80V，生长约为5nm的Mn0.036Ge0.964层。随后继续生长200nm的Si覆盖层。在Si覆盖层生长完成后，进行原位退火保温20min，以提高材料的结晶性。并且需等待(2.5h)样品冷却到室温后方可取出，以防止氧化及变性。
所得Mn0.036Ge0.964薄膜层的居里温度拟合及AFM 3D形貌图如图11所示，从图11可以看出：所得量子点密度为300/μm-2，居里温度为282K。
所得Mn0.036Ge0.964薄膜层的磁滞回线图如图7所示。从图7可以看出：剩磁为剩磁达到5×10-6emu/mm2，矫顽力达到192Oe，磁饱和强度为3000Oe。
图12为所得Mn0.036Ge0.964薄膜层的XPS图。从图12可以看出：所得Mn0.036Ge0.964中沉淀析出锰的原子含量为82.1％，离子相(Mn2+)原子含量为17.9％，降低了量子点的磁学性能。
从以上实施例可以看出，采用离子束溅射技术，在高温(700～800℃范围内)通过控制MnGeTe层溅射量、生长束流、束流电压和温度等参数，以及增加了Si缓冲层，Si覆盖层及原位退火工艺，得到了更高密度、且尺寸更均匀的Ge1-x-yMnxTey(0.001≤x≤0.120，0.003≤y≤0.052)量子点材料，得到的锰碲掺杂锗量子点的密度达到625/um2，且居里温度319K(超过室温)，剩磁达到1.6×10-5emu/mm2，矫顽力达到307Oe，磁饱和强度达到6150Oe。同时，本发明提供的方法可控性强、制备工艺简单、成本低廉，具有较强的商业价值及科研价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种锰碲掺杂锗量子点，其特征在于，化学组成如下：Ge1-x-yMnxTey，0.001≤x≤0.120，0.003≤y≤0.052；所述锰碲掺杂锗量子点中Mn以沉积析出相和离子相存在；以原子含量计，离子相Mn的含量为50～90％，沉淀析出相Mn的含量为10～50％。
2.权利要求1所述的锰碲掺杂锗量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用离子束溅射在缓冲层上依次制备锰碲掺杂锗量子点多晶和覆盖层，得到前驱体；
将所述前驱体进行原位退火处理，在所述缓冲层和覆盖层之间形成所述锰碲掺杂锗量子点。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲层包括硅层，所述缓冲层的厚度为30～60nm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，制备所述锰碲掺杂锗量子点多晶的离子束溅射的靶材为贴片式靶材；所述贴片式靶材包括锗单晶靶材和贴在所述锗单晶靶材上的锰片和碲片。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述贴片式靶材中包括碲片13片/个，锰片16片/个；所述碲片和锰片的尺寸一致。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述贴片式靶材的制备方法包括以下步骤：
在距锗单晶靶材中心处对角线八分之一位置贴锰片4片；
在距锗单晶靶材中心处对角线八分之三位置贴锰片4片；
在锗单晶靶材顶边与中线之间再取一条中线，所述中线为距离顶边八分之一，将所述中线三等分，在中间两等分点上分别对称贴上锰片8片；
在锗单晶靶材中心处贴碲片1片；
在锗单晶靶材中心处以八分之三对角线长度为半径的圆进行八等分，并在圆周上等距贴上8片碲片；
在距锗单晶靶材顶边中心十四分之一边长处贴碲片4片。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述锰碲掺杂锗量子点多晶的离子束溅射参数包括：工作气体包括氩气，真空室本底真空度为2.0×10-4Pa～3.0×10-4Pa，温度为700～800℃，工作压力为1.1×10-2Pa～2.0×10-2Pa，束流电压为0.5～1.5kV，放电电压为50～100V，加速电压为50～120V，束流为2～15mA。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述原位退火处理的温度为700～800℃，时间为10～30min。
9.权利要求1所述的锰碲掺杂锗量子点或权利要求2～8任一项所述的制备方法得到的锰碲掺杂锗量子点作为半导体材料在自旋场效应晶体管或储存器中的应用。
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