Co摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體納米材料的制備工藝、結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能研究.pdf

1、巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使得磁電子學(xué)成為了磁學(xué)研究的熱點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體器件尺寸的迅速減小，量子效應(yīng)將產(chǎn)生影響。稀磁半導(dǎo)體通過(guò)在半導(dǎo)體中摻雜微量的磁性元素能夠獲得室溫的鐵磁性。但是磁性摻雜后的結(jié)果卻千差萬(wàn)別，甚至自相矛盾，對(duì)于其鐵磁性來(lái)源有不同的爭(zhēng)論。本文利用水熱法和微乳液法制備Co摻雜ZnO納米材料，并對(duì)ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料中的鐵磁性來(lái)源等問(wèn)題展開(kāi)了研究。是否能在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)室溫的鐵磁性和如何有效的實(shí)現(xiàn)和控制半導(dǎo)體室溫自旋極化的鐵磁性是困擾稀

2、磁半導(dǎo)體多年的問(wèn)題。在本文中，我們用水熱法和微乳液來(lái)制備Co摻雜ZnO納米材料，研究ZnO中鐵磁性的起源。我們的研究得到了一些有益的結(jié)論，這在未來(lái)半導(dǎo)體工業(yè)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　我們以Zn(NO3)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O為原料，通過(guò)水熱法在較低溫度下制備了純ZnO和Co摻雜的ZnO納米棒。利用EDS、TEM、XRD和PPMS對(duì)樣品進(jìn)行了表征。摻雜前后的樣品均具有較好的結(jié)晶度，且沿c軸生長(zhǎng)。Co離子是以替

3、代的形式進(jìn)入ZnO晶格。純ZnO納米棒及Co摻雜量為2％的ZnO納米棒平均直徑約為100nm，平均長(zhǎng)度約為200nm；Co含量大于2%的樣品的平均直徑約為10nm，平均長(zhǎng)度約為50nm，Co摻雜改變了ZnO納米棒的生長(zhǎng)。水熱法制備的一系列不同Co含量摻雜的ZnO納米棒中，純ZnO主要表現(xiàn)為抗磁性，其它摻雜樣品表現(xiàn)為順磁性。隨著Co含量的增加，ZnO樣品的鐵磁性并沒(méi)有增加，維持在同一個(gè)水平上，而樣品的順磁性卻隨著Co含量的增加而增加。研究

4、結(jié)果表明，ZnO樣品中Co的摻雜并不是導(dǎo)致鐵磁性的原因。
　　由于ZnO中鐵磁性的來(lái)源可能是Zn或者O位上的缺陷，而且不同的制備工藝能夠制備出缺陷濃度不同的ZnO，從而改變其中的鐵磁性，因此本文中設(shè)計(jì)了不同的工藝制備ZnO材料。我們以Zn(CH3COO)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O為原料，通過(guò)微乳液法在低溫下制備了純ZnO和Co摻雜的納米ZnO。純ZnO和Zn0.995Co0.005O樣品主要表現(xiàn)為抗磁性，而其他的樣品

5、主要表現(xiàn)為順磁性。當(dāng)Co含量超過(guò)2%時(shí)，樣品的順磁性顯著增加。當(dāng)Co含量從0到1%時(shí)，鐵磁性迅速增加；Co增加到2%時(shí)，鐵磁性又急劇降低；Co繼續(xù)增加時(shí)，鐵磁性保持在同一水平。我們用微乳液法制備了2%Cu摻雜的納米ZnO，發(fā)現(xiàn)Zn0.98Cu0.02O和Zn0.98Co0.02O中的鐵磁性幾乎一樣。Cu是非磁性的，而Co是磁性的。這也說(shuō)明了ZnO中摻雜的Co并不是產(chǎn)生鐵磁性的原因。我們對(duì)微乳液法制備的ZnO、Zn0.99Co0.01O和

6、Zn0.98Co0.02O這三個(gè)樣品進(jìn)行了PL光譜檢測(cè)。純ZnO中存在大量的氧缺陷。氧缺陷對(duì)應(yīng)的峰在Zn0.99Co0.01O中變得更強(qiáng)，說(shuō)明這個(gè)樣品中的氧缺陷的濃度更加大。但是這個(gè)峰在Zn0.98Co0.02O樣品中幾乎消失，說(shuō)明這個(gè)樣品中氧缺陷的濃度被壓制了。ZnO內(nèi)的缺陷濃度與鐵磁性呈現(xiàn)出一致的變化，說(shuō)明ZnO的鐵磁性是由氧缺陷引起的。
　　在本文中，我們用實(shí)驗(yàn)證明了ZnO基稀半導(dǎo)體中的鐵磁性是來(lái)自于本征缺陷，而且成功地用微