過渡元素?fù)诫sZnO稀磁半導(dǎo)體的制備及性質(zhì)研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體是指非磁性半導(dǎo)體基體(例如ZnO,TiO2,SnO2,In2O3等)的部分離子被過渡族金屬離子替代,并具有磁性的半導(dǎo)體。在這些非磁性基體中,由于ZnO具有寬能帶(3.37eV)和較大的激發(fā)能(60meV),因此ZnO基稀磁半導(dǎo)體最近幾年得到了廣泛的關(guān)注。居里溫度達(dá)到或超過室溫的稀磁半導(dǎo)體(DMSs)在自旋電子器件領(lǐng)域(例如磁隨機存儲、光頻隔離器、量子計算機等)有著潛在的應(yīng)用價值。因此,過渡元素?fù)诫sZnO稀磁半導(dǎo)體的制備及性質(zhì)研

2、究具有重大的意義。本文利用溶膠.凝膠法和化學(xué)溶液沉積法制備了過渡金屬摻雜ZnO樣品,并采用X射線衍射儀、透射電鏡、X射線光電子能譜、X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、振動樣品磁強計、紫外顯微拉曼-熒光光譜儀等測試手段對樣品的結(jié)構(gòu)、磁性及發(fā)光特性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。
　　 首先,利用溶膠-凝膠法和化學(xué)溶液沉積法制備了Co摻雜ZnO樣品。研究結(jié)果表明,對于Co摻雜ZnO納米顆粒而言,樣品在室溫下具有鐵磁性,且樣品的飽和磁化強度隨著熱處理溫度的升

3、高而減小。此外,對于Co摻雜ZnO納米薄膜而言,Co離子進(jìn)入到了ZnO的晶格中,并且Co2+成功替代了ZnO中的Zn位置。樣品同樣在室溫下具有鐵磁性,其磁性很可能來源于樣品中形成的束縛磁極化子。其次,利用溶膠-凝膠法制備了Ni摻雜的ZnO稀磁半導(dǎo)體粉末樣品。實驗結(jié)果表明,單一相的Ni摻雜ZnO樣品中,Ni是以+2價形式存在并替代ZnO中的Zn位置。樣品具有室溫鐵磁性,其飽和磁化強度隨摻雜濃度增加而增加,分析結(jié)果認(rèn)為Ni摻雜ZnO的鐵磁性

4、為其本質(zhì)特性。而不同氣氛下制得的Zn1-xNixO樣品結(jié)構(gòu)及磁性不同,這與在樣品中氧空穴的含量有關(guān)。光學(xué)測試結(jié)果表明,由于過渡金屬Ni的摻入使ZnO晶格發(fā)生變形,因此摻雜后樣品的紫外峰及可見光區(qū)發(fā)光峰均發(fā)生了變化。再次,利用溶膠-凝膠方法成功地制備了Cr摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體。首先,研究了Cr摻雜對ZnO結(jié)構(gòu)、光學(xué)及磁學(xué)特性的影響。結(jié)果表明:Cr離子至少部分地進(jìn)入到ZnO晶格中并替代了ZnO中Zn的位置,摻雜Cr離子能夠抑制晶粒的長大。在

5、空氣中熱處理的樣品,Cr以Cr3+離子的形式摻入到了ZnO晶格中,并成功的替代了Zn2+離子。摻雜濃度小于5％的樣品具有良好的室溫鐵磁性。PL測試結(jié)果進(jìn)一步證實了鐵磁性是Cr摻雜ZnO樣品的本質(zhì)特性,并且鐵磁性的來源應(yīng)歸因于Cr摻雜。
　　 最后,分析了V的摻入對ZnO樣品的結(jié)構(gòu)與性能的影響。在氬氣氣氛下制得的樣品,V離子在樣品中以+4價態(tài)存在,隨V摻雜量的增加,樣品的飽和磁化強度隨之增加。而在空氣氣氛下,V離子在樣品中以+5價