畸變氧八面體中3d6離子磁能級(jí)與載流子鈍化機(jī)理研究.pdf

1、半導(dǎo)體信息材料和器件是信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。近年來，稀磁半導(dǎo)體研究的進(jìn)步，喚起了人們對(duì)基于單個(gè)元件同時(shí)具有半導(dǎo)體的邏輯功能與磁性元件的信息存儲(chǔ)功能的應(yīng)用希望，即在一種材料中同時(shí)應(yīng)用電子電荷和自旋兩種自由度，這也激勵(lì)著人們加快尋找和設(shè)計(jì)室溫鐵磁性半導(dǎo)體材料的步伐。倘若能找到具有室溫鐵磁性的半導(dǎo)體，則必將給計(jì)算機(jī)領(lǐng)域帶來一場(chǎng)新的革命。此外，隨著能源問題和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，開發(fā)新能源、節(jié)能減排、污染治理等方面的需求日益迫切。TiO2

2、由于其獨(dú)特的性能，在太陽能采集、污染物處理等方面有廣闊的應(yīng)用前景。本文以光電子領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的n型透明導(dǎo)電氧化物為研究對(duì)象，對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、摻雜特性和磁性起源展開研究，主要?jiǎng)?chuàng)新性成果如下：
　　由于半導(dǎo)體的磁性取決于磁性離子在半導(dǎo)體中的自旋軌道分裂大小及其磁性離子的耦合程度，首先研究了氧八面體中晶格畸變對(duì)3d6磁性離子能級(jí)的影響(以Ni摻雜TiO2和SnO2、Co摻雜In2O3的體材料和納米晶結(jié)構(gòu)為例)。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變晶體結(jié)構(gòu)來

3、增強(qiáng)磁性離子的自旋分裂程度，可以實(shí)現(xiàn)操控半導(dǎo)體磁性的目的。具體的結(jié)果有：(ⅰ)在摻雜濃度較低時(shí)，八面體小幅度畸變不會(huì)導(dǎo)致3d6離子磁能級(jí)自旋分裂，所有的研究體系中均沒有磁性；如果摻雜濃度提高，使得兩磁性離子可以處于相鄰陽離子位置，或者八面體畸變程度加大，3d6離子磁能級(jí)會(huì)發(fā)生自旋分裂，并產(chǎn)生有效磁矩。(ⅱ)氧離子空位存在于過渡族金屬氧化物時(shí)，空位產(chǎn)生局域磁矩，與3d6離子通過超交換作用耦合；氧離子空位存在于主族氧化物時(shí)，空位提供巡游電子

4、，通過改變3d6離子的電荷數(shù)而與3d6離子發(fā)生長程耦合。
　　其次，根據(jù)納米結(jié)構(gòu)的化合物存在非化學(xué)配比和表面懸掛鍵的問題，這些會(huì)造成化合物呈非電中性，即存在多余的載流子。研究了一個(gè)非化學(xué)配比的氧化銦量子點(diǎn)中表面懸掛鍵波函數(shù)特性。研究發(fā)現(xiàn)：納米結(jié)構(gòu)中表面懸掛鍵態(tài)密度的自旋分裂是誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)非傳統(tǒng)磁性的主要原因之一，這為調(diào)控半導(dǎo)體磁性增加了新的手段。采用帶分?jǐn)?shù)個(gè)電子的贗氫原子來飽和納米結(jié)構(gòu)的表面態(tài)，使體系保持電中性，很好地模擬了材料一

5、般不會(huì)帶電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氧離子表面懸掛鍵態(tài)主要分布在價(jià)帶頂?shù)倪吘墸喈?dāng)于淺的受主能級(jí)提供空穴，作自旋計(jì)算時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的自旋極化；銦離子表面懸掛鍵電子態(tài)主要分布在略低于導(dǎo)帶底的帶隙中，相當(dāng)于淺施主能級(jí)提供電子，與導(dǎo)帶邊發(fā)生自旋耦合。當(dāng)用贗氫原子將表面懸掛鍵完全鈍化后，帶隙里面的局域表面態(tài)和自旋極化態(tài)就消失了。
　　再次，以Ni摻雜金紅石結(jié)構(gòu)SnO2納米線為例，綜合考察了晶格畸變和表面懸掛鍵的作用，明確了對(duì)半導(dǎo)體磁性進(jìn)行綜合調(diào)控的效果

6、。研究表明：相對(duì)于非化學(xué)配比的氧化銦納米晶結(jié)構(gòu)，表面畸變程度小的單晶金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2納米線的自旋分裂能要小得多。3d6離子摻雜沒有懸掛鍵的SnO2納米線不能帶來自旋極化，當(dāng)存在懸掛鍵時(shí)，陽離子和陰離子表面懸掛鍵分別起到施主和受主能級(jí)的作用，使得帶隙中的3d6離子能級(jí)出現(xiàn)部分占據(jù)態(tài)，而產(chǎn)生自旋極化。陽離子懸掛鍵電子態(tài)比陰離子懸掛鍵電子態(tài)對(duì)3d6離子摻雜SnO2納米線的自旋極化作用更大，當(dāng)陽離子懸掛鍵與3d6離子的比值為3:2時(shí)，3d6

7、離子摻雜SnO2納米結(jié)構(gòu)具有最大的磁矩。
　　最后，基于鈍化摻雜思想，提出了鈍化原理在提高TiO2的光催化效率和加強(qiáng)半導(dǎo)體磁性方面的應(yīng)用。研究表明：(ⅰ)鈍化共摻雜能夠提高TiO2的光催化效率。這是由于通過此方法可以鈍化施主-受主復(fù)合體，使得光生電流不會(huì)被受主能級(jí)中的空穴復(fù)合。其中，C和W共同摻雜到TiO2體材料中使得價(jià)帶邊往上移動(dòng)，而導(dǎo)帶邊幾乎沒有移動(dòng)，TiO2的能隙也降低到約為2.2 eV，最有利于TiO2光催化系統(tǒng)吸收可見光

8、。(ⅱ)鈍化共摻雜方法使得TiO2的p型摻雜成為可能。這是由于TiO2的價(jià)帶邊較低，很難進(jìn)行p型摻雜，用第Ⅳ主族和第Ⅵ副族元素鈍化共摻到TiO2中不僅能夠大幅度的提高價(jià)帶邊，而且也在一定程度上使導(dǎo)帶邊往上移動(dòng)。(ⅲ)鈍化群摻雜還可以加強(qiáng)半導(dǎo)體自旋極化。采用N離子替代TiO2中的O離子，可以得到1個(gè)空穴，并產(chǎn)生約為0.7μB的磁矩，費(fèi)米能級(jí)高于價(jià)帶頂，空穴能級(jí)局域在費(fèi)米能級(jí)附近。但通過鈍化群摻雜后，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)一步遠(yuǎn)離價(jià)帶頂，空位能級(jí)變得更