ZnO稀磁半导体低维结构的制备和性能研究.docx

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1、ZnO 稀磁半导体低维构造的制备和性能争论【摘要】：兼有电荷和自旋两种属性的稀磁半导体因其在自旋电子器件中的巨大潜在应用而备受关注。Dietl 等人理论推想了对 GaN 和ZnO 体系进展适量的 Mn 掺杂,有望获得具有室温铁磁性的稀磁半导体材料。迄今为止,对于过渡金属掺杂的GaN 高温铁磁性争论相比照较完整和成熟,理论和试验方面的结果也比较统一作为另一个有望实现室温铁磁性的材料,TM 掺杂 ZnO 体系也备受国内外很多争论小组的关注,近年来间续有很多关于 ZnO 及其掺杂体系获得高居里温度的报道,但对于其磁性起源问题,始终没有一个统一的生疏。作为一种具有优良光电、压电和气敏等性质的直接带隙半

2、导体材料,ZnO 在很多领域都有很广泛的应用。因此,开展 ZnO 体系室温铁磁性争论,对于说明磁性起源,制备高品质、重复性好的室温铁磁性稀磁半导体材料和开发以其为根底的自旋电子器件都具有格外重要的理论和有用价值。目前,ZnO 稀磁半导体的磁性通常认为可能来源于缺陷、过渡金属掺杂元素和磁性杂质。本论文通过以下途径开展 ZnO 稀磁半导体中磁学特性的争论工作：1、通过掺杂条件的变化调控样品中的金属离子掺杂浓度,争论掺杂元素对稀磁半导体磁性的影响；2、通过不同退火条件调控样品中的缺陷状态,争论不同缺陷状态下稀磁半导体磁性的变化及其依靠关系；3、通过在 ZnO 中掺杂不同磁学特性的离子,比较其对 Zn

3、O 稀磁半导体磁性的奉献,争论不同掺杂离子及其相关化合物团簇等杂质对磁学特性的影响,探究其与磁性起源的关联。本论文采用水溶液化学合成方法制备一系列 Mn、Ni、Cu 掺杂和未掺杂 ZnO 样品,并对部份样品在不同气氛中进展退火处理。所制备ZnO 微纳颗粒都具有(0001)优化取向的六方纤锌矿构造。较低掺杂浓度的样品构造中没有消灭Mn、Ni、Cu 相关杂质相,掺杂离子呈现+2 价,取代Zn2+ 位置进入晶格构造,磁学特性测试说明,样品都呈现出了室温铁磁性。ZnO 样品的光致发光谱在可见光区域明显存在有三个放射峰： 527nm、575nm 和 657nm,分别对应于单电离氧空位(Vo+)、双电离氧

4、空位(Vo+)和氧填隙(Oi)缺陷。通过室温荧光光谱测试,我们可以看到, 未退火样品中的缺陷以双电离氧空位(Vo+)为主；在 Ar 和 N2 中退火后,Mn、Ni 掺杂和未掺杂样品中双电离氧空位(Vo+)浓度削减,单电离氧空位(Vo+)浓度增大,其饱和磁化强度得到很大的提高。其中 ,在Ar 气氛中热处理样品的单电离氧空位(Vo+)浓度和饱和磁化强度的增加幅度最为显著；在 O2 气氛中退火后,样品中氧空位得到确定补偿, 其单电离氧空位浓度(Vo+)和饱和磁化强度都有确定程度的降低。对于 Cu 掺杂 ZnO 体系,虽然其不同热处理状况下缺陷状态的变化与上述三个体系略有不同,但其饱和磁化强度与单电离

5、氧空位(Vo+)浓度的依靠关系和 Mn、Ni 掺杂和未掺杂体系中的是全都的。为寻求 ZnO 稀磁半导体中本征缺陷和掺杂元素对其磁学特性影响的理论解释 ,我们承受第一性原理分别计算了 Mn(1.5%)、Ni(1%)、Cu(1%)掺杂和无掺杂 ZnO样品中可能的磁性缺陷中心 不同价态的氧空位Vo(Vo0,Vo+ 和 V+) 及 其 与 掺 杂 离 子 形 成 的 复 合 体(TM-Vo,TM-Vo-TM),锌空位(VZn)和氧/锌填隙位(Oi/Zni)等的磁矩。结果说明,单个氧空位中,只有单电离氧空位(Vo+)具有磁性(约 1B) 关于氧空位 Vo-TM 和 TM-Vo-TM 复合体的磁性,不同掺

6、杂离子,结果不尽一样,氧空位与 Mn 的复合体 ,全部计算结果都有相近的磁矩 ( 约4.99B),氧空位与 Ni 的复合体的磁矩介于 1-4B。氧空位与 Cu 的复合体中,只有 Vo+-Cu、Vo+-Cu、Cu-Vo+-Cu 复合体的磁矩介于1-2B。依据上述理论计算,结合荧光光谱、缺陷分析和磁学特性测试的结果,我们觉察 ZnO 稀磁半导体中单电离氧空位 Vo+是其铁磁性的一个最主要的来源,而且各个样品的饱和磁矩与样品中单电离氧空位(Vo+)的浓度具有确定的正相关。尤其是对未掺杂 ZnO 体系的铁磁性争论,更说明白单电离氧空位(Vo+)是ZnO 体系具有铁磁性的一个主要因素。对于Mn、Ni、C

7、u 掺杂 ZnO 稀磁半导体体系,其铁磁性是由单电离氧空位(Vo+)和体系中不同价态氧空位 Vo 与掺杂离子形成的复合体的铁磁耦合共同引起,而单电离氧空位(Vo+)在其中照旧起到了一个主导作用。综上所述,可以看到,虽然不同掺杂体系样品的磁学特性表现出确定的差异,但有一个共同点就是,在所争论的ZnO 稀磁半导体体系中,缺陷状态(主要是 Vo)的变化比掺杂离子的变化对体系的磁性起到更为显著的影响。基于理论计算、光谱测试、缺陷分析和磁性测试结果,可以推断出氧空位,特别是单电离氧空位(Vo+),是 ZnO 稀磁半导体体系中铁磁性产生的一个主要缘由。【关键词】：稀磁半导体过渡金属掺杂ZnO 缺陷室温铁磁

8、性【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2023【分类号】：O484.1【名目】：摘要 6-8Abstract8-13 第一章绪论 13-431.1 稀磁半导体简介13-151.1.1 半导体自旋电子学 13-141.1.2 稀磁半导体 14-151.2 稀磁半导体的构造及根本性质 15-161.2.1 稀磁半导体的晶体构造 15-161.2.2 稀 磁 半 导 体 的能 隙 161.3 稀磁半 导 体 的 磁 性的 理 论 解 释16-211.3.1RKKY 理论 171.3.2 双交换理论 17-191.3.3 超交换理论19-201.3.4 束缚磁极化子模型

9、20-211.4 稀磁半导体的性质 21-261.4.1光吸取特性 22-231.4.3 巨负磁阻效应 231.4.4 绝缘体 - 金属转变23-241.4.5 霍尔效应 241.4.6 居里温度 24-261.5 稀磁半导体应用前景26-281.6 氧化物稀磁半导体争论进展 28-401.6.1TiO_2 稀磁半导体争论进展 28-301.6.2SnO_2 稀磁半导体 30-331.6.3In_2O_3 稀磁半导体33-341.6.4CuO 稀磁半导体 341.6.5Cu_2O 稀磁半导体 34-351.6.5ZnO稀磁半导体 35-391.6.6 无掺杂氧化物稀磁半导体39-401.7 本

10、课题选题意义和争论内容 40-431.7.1 选题意义 40-411.7.2 争论内容 41-43 其次章试验争论方法43-492.1 样品制备方法43-442.1.1 水溶液化学合成晶体技术简介43-442.1.2 试验过程442.2 构造表征与物性测试44-472.2.1 扫描电子显微镜(SEM)44-452.2.2X 射线衍射(XRD)452.2.3X 射线光电子谱(XPS)45-462.2.4 光致发光谱(PL)462.2.5 振动样品磁强计(VSM)46-472.3 试验原料及仪器47-492.3.1 试验原料472.3.2 试验设备及仪器 47-49 第三章Mn 掺杂ZnO 体系争

11、论 49-673.1 引言 493.2 样品制备 49-503.3 试验结果 50-613.3.1 外表形貌 50-513.3.2X 射线衍射分析 51-523.3.3XPS 测试结果 52-543.3.4 荧光光谱测试 54-583.3.5 磁学特性测试 58-613.4 争论分析 61-653.5 本章小结 65-67 第四章 Ni 掺杂ZnO 体系争论 67-854.1 引言 674.2 样品制备 67-694.3 结果 69-794.3.1外表形貌 69-704.3.2X射线衍射分析 70-714.3.3XPS测试结果71-724.3.4 荧光光谱测试 72-764.3.5 磁学特性测

12、试 76-794.4 争论分析79-844.5 本章小结 84-85 第五章 Cu 掺杂 ZnO 表达争论 85-1035.1 引言 855.2 样品制备 85-875.3 结果 87-975.3.1 外表形貌 87-885.3.2X 射线衍射分析 88-895.3.3XPS 测试结果 89-905.3.4荧光光谱测试90-945.3.5 磁学特性测试 94-975.4 争论分析 97-1015.5 本章小结101-103 第六章无掺杂 ZnO 体系争论 103-1116.1 引言 1036.2 样品制备 103-1046.3 结果与争论 104-1096.3.1 外表形貌 1046.3.2X 射线衍射分析 104-1056.3.3XPS测试结果 105-1066.3.4荧光光谱测试106-1086.3.5 磁学特性性测试 108-1096.4 争论分析 109-1106.5 本章小结 110-111 第七章结论与展望 111-1157.1 论文总结 111-1127.2 有待争论的问题 112-1137.3 展望 113-115 致谢 115-117 攻读博士学位期间论文发表和专利申请状况117-119 参考文献119-129本论文购置请联系页眉网站。