機(jī)械合金化制備Fe摻雜氧化物稀磁半導(dǎo)體.pdf

1、由于在自旋和微電子器件中的潛在應(yīng)用,稀磁半導(dǎo)體成為材料學(xué)研究的熱點(diǎn)。而自從在Co摻雜TiO2中發(fā)現(xiàn)了室溫鐵磁性后,過渡族金屬元素?fù)诫s氧化物稀磁半導(dǎo)體受到極大的關(guān)注。然而,一方面,由于不少稀磁半導(dǎo)體材料的居里溫度低于室溫,因而缺乏實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。另一方面,對于其磁性的來源,也仍然存在很大爭議。因而,目前對氧化物磁性半導(dǎo)體的研究在實(shí)際應(yīng)用和理論方面都具有極大價(jià)值。本論文采用機(jī)械合金化方法制備氧化物基稀磁半導(dǎo)體,分別對Fe摻雜TiO2,Fe摻

2、雜ZnO,和Fe、Cu共摻雜ZnO體系進(jìn)行研究。 研究結(jié)果表明球磨不僅使Fe固溶進(jìn)入TiO2,還誘發(fā)了TiO2從銳鈦礦相向Srilankite(S)相和金紅石相的轉(zhuǎn)變。通過控制球磨時(shí)間,使Fe摻雜進(jìn)入不同相結(jié)構(gòu)的TiO2。球磨后的樣品中未發(fā)現(xiàn)Fe及Fe的氧化物。隨著Fe摻雜含量的增加,樣品的直接能隙減小,對可見光區(qū)域的吸收逐漸增強(qiáng)。通過摻雜Fe,樣品在可見光下對亞甲基藍(lán)的催化效率大幅度提高。所有樣品都表現(xiàn)出室溫鐵磁性,球磨3小時(shí)

3、后樣品的磁性能最大,然后隨著球磨時(shí)間的延長,飽和磁化強(qiáng)度逐漸減小。研究表明Fe摻雜金紅石相的磁性大于摻雜銳鈦礦相,而摻雜進(jìn)入S相對磁性的貢獻(xiàn)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻雜進(jìn)入其他兩相。 在不同球磨氣氛中得到的Fe摻雜TiO2粉末皆為純金紅石相。拉曼譜中,金紅石相Eg模的峰位隨球磨氣氛中氧分壓的減小而發(fā)生紅移,而Alg模的峰位保持不變。鐵離子在TiO2晶格中以高自旋的Fe2+和Fe3+存在,其中Fe3+離子的比例隨著球磨氣氛中氧分壓的增加而增加,

4、在氧氣氣氛中球磨樣品的穆斯堡爾譜中未發(fā)現(xiàn)對應(yīng)Fe2+離子的子譜。隨著球磨氣氛中氧分壓的減小,樣品對可見光的吸收逐漸增強(qiáng)。樣品在可見光下的光催化能力和磁性都隨球磨氣氛中氧分壓的減小而逐漸增強(qiáng)。 用機(jī)械合金化方法制備的Fe摻雜ZnO粉末樣品中,當(dāng)Fe的摻雜含量小于9.89 at.％時(shí),Fe原子完全固溶進(jìn)入ZnO晶格中,樣品為純纖鋅礦結(jié)構(gòu)。Fe取代了ZnO晶格中的陽離子Zn2+,以Fe3+、Fe2+兩種不同價(jià)態(tài)的離子形式存在。樣品的磁

5、性隨Fe摻雜含量的增加而減小。當(dāng)Fe的摻雜濃度為9.89 at.％時(shí),由于樣品中未摻雜進(jìn)入ZnO的單質(zhì)Fe的貢獻(xiàn),該樣品的磁性能陡增。在空氣和氧氣氣氛中球磨的Fe摻雜ZnO樣品中,除了ZnO相還含有FeO 。將球磨后的樣品在不同氣氛中退火,測量其磁性能發(fā)現(xiàn),在真空退火樣品的磁性基本不變,在空氣中退火后樣品的磁化強(qiáng)度只有原來的一半,但是在氫氣中退火后,樣品的磁性顯著提高,并且沒有出現(xiàn)第二相。將氫氣中退火的樣品再放在空氣中進(jìn)行退火,樣品的磁

6、性能下降,表明樣品在不同氣氛中退火,其磁性能的轉(zhuǎn)變是可逆的。 用機(jī)械合金化制備了Fe、Cu共摻雜ZnO粉末。Cu的摻雜濃度小于2 at.％時(shí),樣品的磁性能隨著Cu摻雜濃度的增加而增強(qiáng)。Cu的濃度小于1.5 at.％時(shí),樣品為純六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO,未出現(xiàn)第二相,表明樣品磁性的增加是本征的。當(dāng)Cu的濃度為1.5 at.％時(shí),在X射線衍射圖譜和穆斯堡爾譜中都出現(xiàn)了對應(yīng)于bcc結(jié)構(gòu)的Fe峰。Cu摻雜濃度繼續(xù)增加到2 at.％時(shí),Fe