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Semiconductores Magnéticos Diluidos basados en nanohilos de GaN
Diluted Magnetic Semiconductors based on GaN nanowires
GABRIELA GUZMAN NAVARRO
MANUEL HERRERA ZALDIVAR
Acceso Abierto
Atribución
semiconductores
Ferromagnetismo
Nanoestructuras
En este trabajo de tesis hemos identificado los defectos puntuales en películas, micro- y nanoestructuras de GaN formados por la incorporación de impurezas, que participan (o inhiben) en la generación de ferromagnetismo (FM) en este material. Para realizar este estudio se sintetizaron películas, micro- y nanoestructuras de GaN impurificas con Mn, O y Cu usando la técnica de evaporación térmica (TE). Para identificar los defectos puntuales en estos materiales se realizaron diversos estudios, tales como: catodoluminiscencia (CL), espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS) y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM). Su respuesta magnética se estudió usando un sistema SQUID operado a 100 K. Nuestros resultados mostraron que la temperatura de síntesis del GaN influyó significativamente tanto en la morfología de las micro- y nanoestructuras obtenidas, así como en la concentración de las impurezas incorporadas. Además de que la síntesis del GaN en un ambiente rico en N propició la generación de defectos tipo vacancias de galio (VGa). La incorporación de oxígeno en las nanoestructuras de GaN generó múltiples fallas de apilamiento atómico, las cuales además de reducir su calidad cristalina inhibieron sus propiedades ferromagnéticas incluso al ser codopadas con Mn. De acuerdo al estudio por XPS, las impurezas de oxígeno se incorporaron en la red de forma intersticial (Oi) y substitutional (ON). Los resultados de CL mostraron que esta impureza genera una emisión luminiscente de 2.68 eV, asociada a una transición entre niveles electrónicos producidos por defectos puntuales tipo ON (donador) y Oi (aceptor). Por otro lado, hemos encontrado que las impurezas de Mn y Cu se incorporan en la red cristalina del GaN en forma substitutional (MnGa, CuGa), en estado químico divalente (+2). En las muestras impurificadas con Mn se observó una banda ancha con varias componentes centradas en 1.9, 2.6 y 2.8 eV asociadas a transiciones entre estados introducidos en la banda prohibida por los iones de Mn y las bandas de conducción y valencia. Una de las conclusiones más importantes de este trabajo de tesis es que la incorporación de impurezas sustitucionales de oxígeno (ON) promueve un incremento en la concentración de defectos tipo vacancias de nitrógeno (VN) en el GaN que inhiben la generación de FM. En cambio la presencia de impurezas tipo MnGa y CuGa incrementa la generación de defectos tipo VGa. Hemos demostrado ade
In this thesis we identified the point defects formed by the incorporation of impurities into GaN that inhibit or contribute to the generation of ferromagnetism (FM) in the semiconductor. We synthesized films, micro and nanostructures of pure GaN and of GaN unpurified with Mn, O and Cu by thermal evaporation (TE). The point defects in this semiconductor were characterized by cathodoluminescence (CL), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). The magnetic response of the samples was studied by SQUID at 100 K. Results indicate that deposition temperature during synthesis of GaN significantly influenced the morphology of the obtained structures and the concentration percentage of the incorporated impurity. Besides, the synthesis of GaN in an N-rich environment generated gallium vacancy defects (VGa). The incorporation of O into GaN nanowires generated multiple stacking fault defects that diminished the purity of the GaN crystal structure. We also observed that O inhibits the generation of FM even in samples codoped with Mn. According to XPS results we identified that O incorporates into the GaN lattice as an interstitial (Oi) and substitutional (ON) impurity. CL spectra showed the generation of a luminescent component centered at 2.68 eV associated to the transitions between electronic states produced by ON and Oi point defects. On the other hand, we found that Mn and Cu impurities incorporate in the crystalline lattice of GaN as substitutional defects (MnGa, CuGa) in divalent state (+2). In CL spectra, a broad band with multiple components centered at 1.9, 2.6 and 2.8 eV was associated to transitions between states introduced by Mn ions in the forbidden gap and the valence (conduction) band of GaN. An important conclusion of this thesis is that ON impurities increase the generation of nitrogen vacancies (VN) that inhibit the generation of FM. Meanwhile, the presence of MnGa and CuGa increased the formation of VGa defects. We also proved that VGa participates in the generation of FM in GaN independently of sample morphology (film, micro or nanostructure). The magnetic and structural defect properties observed in GaN were correlated to those observed for MnO nanowires, also synthesized by TE over GaN microcrystals. Finally, by CL we found that MnO has similar defects to those observed for GaN codoped with Mn and O. In particular, these MnO nanowires presented a clear FM response
CICESE
2016
Tesis de doctorado
Español
Investigadores
Guzmán Navarro, G. 2016. Semiconductores Magnéticos Diluidos basados en nanohilos de GaN . Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 139 pp.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
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