水熱合成ZnO稀磁半導(dǎo)體的研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體(DilutedMagneticSemiconductors-DMSs)材料同時具有電子的電荷屬性和自旋屬性，是自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)，具有優(yōu)異的磁、磁光、磁電性能，使其在高密度非易失性存儲器、磁感應(yīng)器、半導(dǎo)體集成電路、半導(dǎo)體激光器和自旋量子計算機等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 實驗以ZnO作為基體，采用水熱法分別進(jìn)行了Ni2+、Cr3+、Co2+和Mn2+的摻雜，制備ZnO基稀磁半導(dǎo)體粉體。討論了前驅(qū)物制備方法、攪拌時間、反應(yīng)溫

2、度、反應(yīng)時間、礦化劑種類和濃度、摻雜含量等工藝因素對粉體制備的影響。通過XRD表征粉體的晶相，對樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析，觀察粉末的顯微結(jié)構(gòu)；通過紫外吸收測試摻雜離子的吸收峰，并且通過計算出的禁帶寬度，可以檢測摻雜對ZnO電性能的影響；磁滯回線測試ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料的磁滯回線，分析材料的磁性能；通過EDS能譜測試分析摻雜的實際含量對于Ni2+摻雜ZnO，NaOH作為礦化劑比KOH更合適摻雜的進(jìn)行；高濃度的礦化劑濃度下，有利于形成純

3、凈的晶體，3mol/L為宜；但礦化劑濃度不宜過高，當(dāng)濃度為5mol/L時，出現(xiàn)了Ni(OH)2雜質(zhì)相。討論了不同摻雜含量對制備樣品的影響，當(dāng)x=0.05和0.1時，得到了純凈的晶相；當(dāng)摻雜含量依次為x=0，0.05，0.1，0.2時，禁帶寬度先降低后升高，分別為3.20eV，3.19eV，3.15eV，3.17eV。分別采用沉淀法和Sol-gel法制備前驅(qū)物，沉淀法所制備前驅(qū)物，經(jīng)水熱合成的粉體較為理想，可以得到純凈的Zn0.95Ni0

4、.05O樣品，XRD和UV-Vis證實Ni2+取代了Zn2+，晶體具有鐵磁性，實際的摻雜含量為3.20％(Atomic％)。 對于Cr3+離子摻雜ZnO，NaOH做礦化劑比KOH更有利于離子的摻雜；升高反應(yīng)溫度有利于摻雜的進(jìn)行，在240℃為宜；反應(yīng)時間為24h、攪拌時間7～8h有利于合成顆粒小的晶粒；而當(dāng)摻雜含量增大時，會出現(xiàn)雜質(zhì)相，說明ZnO對Cr離子的固溶是有限的；礦化劑是3mol/L的NaOH，填充率為75％，Cr的摻雜量

5、不高于0.15mol比時可得到的性能較好的稀磁半導(dǎo)體，XRD測試表明隨著Cr離子的摻雜量有限，當(dāng)x≤0.15時，摻雜進(jìn)入到ZnO的晶格之內(nèi)，并且所制備的晶體發(fā)育比較完整。從FE-SEM可以觀察出，摻雜量x≥0.2時，晶體的形貌從短柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L柱狀。由磁滯回線表明，晶體呈現(xiàn)順磁性。 對于Co2+摻雜ZnO，在200℃和240℃的條件下，可以合成比較純凈的Zn0.95Co0.05O和Zn0.9Co0.1O晶相；UV-Vis測試發(fā)現(xiàn)在

6、570nm，610nmand655nm處分別出現(xiàn)了Co離子的吸收峰，說明Co離子摻雜進(jìn)入到ZnO的晶格內(nèi)；在室溫下，晶體呈現(xiàn)順磁性。 對于Mn2+摻雜ZnO，礦化劑濃度影響產(chǎn)物的濃度，以3mol/L的NaOH作為礦化劑，合成出了比較純凈的Zn0.95Mn0.05O和Zn0.9Mn0.1O晶相；以5mol/L的NaOH作為礦化劑，可以合成Zn0.85Mn0.15O晶體。室溫下，Zn0.9Mn0.1O和Zn0.85Mn0.15O晶體