半導(dǎo)體材料的磁性及高壓相變的研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體(DMS)是將磁性元素?fù)饺氚雽?dǎo)體材料中制備而成,由于在自旋電子器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注。因理論預(yù)測(cè)ZnO基稀磁半導(dǎo)體在室溫時(shí)仍具有鐵磁性,引起大家對(duì)過(guò)渡金屬摻雜甚至非金屬摻雜ZnO基稀磁半導(dǎo)體研究的極大興趣。然而,到目前為止該體系的磁性機(jī)理仍處于爭(zhēng)議之中。本論文主要研究?jī)?nèi)容之一是探討Co、Ga單摻及共摻ZnO的鐵磁性來(lái)源。樣品制備主要采用三種方法:熱分解法,溶膠－凝膠法及脈沖激光沉積法,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試及第一性原理計(jì)

2、算研究ZnO基稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性機(jī)理。
　　 采用熱分解法制備了具有室溫鐵磁性的納米尺寸Zn0.95Co0.05O樣品,ZnO中Co2+取代了Zn2+位置。Co的K邊XANES圖譜及吸收光譜均表明在Co2+周圍有一定量氧空位的存在。第一性原理計(jì)算結(jié)果表明處于某一特定位置的氧空位的存在導(dǎo)致最近鄰Co-Co離子之間的鐵磁耦合。這些氧空位極易捕獲電子而形成F-中心,被捕獲的電子局域化后占據(jù)的軌道與相鄰Co2+的3d軌道重迭。Co2

3、+的3d軌道中只有未占滿的自旋向下軌道,被捕獲的電子會(huì)與每個(gè)單個(gè)Co2+的自旋方向相反,導(dǎo)致兩個(gè)相鄰的Co2+之間產(chǎn)生鐵磁耦合。
　　 采用溶膠-凝膠法制備了具有室溫鐵磁性的Co、Ga共摻ZnO樣品,其中Co2+取代了Zn2+位置,Ga3+則占據(jù)了八面體間隙位置,在其周圍伴隨著一個(gè)氧空位的存在。Ga-4p與Co-3d殼層電子之間發(fā)生強(qiáng)的雜化作用,并且Co2+周圍的氧離子被部分極化。相鄰兩個(gè)Co2+的3d電子之間以Ga-4p電子以

4、及被極化的氧離子為媒介產(chǎn)生間接交換交互作用,進(jìn)而使Co、Ga共摻ZnO具有鐵磁性。
　　 采用PLD法生成純ZnO和Ga摻雜ZnO薄膜。Ga3+占據(jù)ZnO內(nèi)的間隙位置,并且電阻測(cè)試表明載流子引起的鐵磁交換交互作用不是薄膜鐵磁性的真正來(lái)源。結(jié)合第一性原理計(jì)算,我們發(fā)現(xiàn)在(0001)氧終止面上存在的Zn空位使得O價(jià)帶中存在大量的2p空穴,最終導(dǎo)致純ZnO薄膜的鐵磁性。而Ga摻雜ZnO薄膜中,在(0001)氧終止面上存在的O空位均導(dǎo)致

5、Ga-4s電子發(fā)生自旋極化,而Ga原子的自旋極化進(jìn)一步導(dǎo)致其周圍O和Zn原子的極化,從而使得Ga摻雜ZnO薄膜顯示鐵磁性。
　　 綜合同步輻射高壓實(shí)驗(yàn)及第一性原理計(jì)算對(duì)纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO納米棒的相變路徑進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)12GPa發(fā)生的由纖鋅礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槁然c結(jié)構(gòu)的相變首先沿著[0001]方向急劇變形,而其垂直方向變化不大,隨后兩個(gè)方向同時(shí)發(fā)生變形。
　　 通過(guò)同步輻射原位高壓X射線衍射實(shí)驗(yàn),研究了大塊及納米Sn02的高壓相變