ZnO稀磁半导体的制备和磁、光性能研究

论文摘要

近年来,基于对电子自旋态的产生、输运、控制等的研究,由此而导致了一门新的学科——自旋电子学的诞生。由于自旋电子器件能同时利用电子的电荷属性和自旋属性,它有可能成为电子科学与技术的新革命。稀磁半导体作为自旋电子学的重要基础,目前引起了科学界广泛的关注。本文利用溶胶-凝胶法分别制备了锰掺杂和镍掺杂ZnO纳米晶稀磁半导体,并分别用透射电子显微镜、X-射线衍射仪、拉曼光谱仪、超导量子干涉磁强计和阴极射线发光谱仪分别对样品进行了形貌、结构、磁、光性能表征。研究表明:纳米晶颗粒尺寸在25纳米左右;在较低的掺杂浓度下,样品保持很好的ZnO纤锌矿结构,由于溶胶-凝胶法是一种稳态的晶体生长方法,因而锰和镍的有效掺杂浓度较低;拉曼光谱分析表明,在较低的掺杂浓度下掺杂离子在纤锌矿结构ZnO中引入了明显的晶格缺陷,使得Raman散射峰发生峰移、不对称展宽、出现新增Raman散射峰等一系列变化,随着掺杂浓度逐渐增加,ZnO纤锌矿结构逐渐被破坏;对于2%锰掺杂样品,在350K条件下测得了明显的磁滞回线,表明样品具备较好的室温铁磁性;对于镍掺杂样品,也测得了样品的室温铁磁性,铁磁相变温度在300K以上。本文对纳米晶样品铁磁性进行了详细的讨论,证明室温铁磁性来源于掺杂ZnO本体。研究表明样品铁磁性跟载流子浓度密切相关,即铁磁性能被载流子浓度调制,这将使得用电场调制稀磁半导体从而实现高速、非挥发器件变得可能,具有重大的应用价值。论文第五章利用雾化气相沉积法制备了锰掺杂ZnO薄膜,对其形貌、结构以及磁性质和发光性质等进行了详细的分析研究。在掺杂浓度较低的薄膜中观测到强的绿光发射,而且绿光的发射强度随掺杂浓度的增加而增大,这是一种新的实验现象,本文对此给出了解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 自旋电子学概述
• 1.2 稀磁半导体概述
• 1.2.1 磁性基础知识
• 1.2.2 稀磁半导体定义和分类
• 1.2.3 稀磁半导体研究概况
• 1.2.4 铁磁机制
• 1.2.4.1 自发磁化和磁畴
• 1.2.4.2 d-d 交换作用和磁性
• 1.2.4.3 sp-d 交换作用和磁性
• 1.3 稀磁半导体的性质和应用
• 1.4 氧化锌概述
• 1.4.1 ZnO 结构及其基本性质
• 1.4.2 ZnO 性能和应用
• 1.4.3 ZnO 的缺陷和掺杂
• 1.4.4 ZnO 目前主要的研究热点
• 1.5 ZNO 稀磁半导体的研究现状
• 1.6 本文的选题和主要工作
• 1.7 本章小结
• 第二章 实验方法
• 2.1 溶胶-凝胶法
• 2.1.1 基本概念和原理
• 2.1.2 实验过程
• 2.2 雾化气相沉积法
• 2.2.1 原理
• 2.2.2 实验过程
• 2.3 实验表征和仪器简介
• 2.3.1 Raman 光谱仪
• 2.3.2 超导量子干涉磁强计
• 2.3.3 CL 光谱仪
• 2.4 本章小结
• 1-xMn_xO 纳米晶的制备及性能研究'>第三章 Zn_1-xMn_xO 纳米晶的制备及性能研究
• 3.1 样品制备
• 3.2 丁达尔现象
• 3.3 样品 TEM 图
• 3.4 样品 XRD 结构分析
• 3.5 显微 RAMAN 光谱分析
• 3.6 样品磁性分析
• 3.7 阴极射线发光研究
• 3.8 本章小结
• 1-xNI_XO 纳米晶的制备及磁性能研究'>第四章 ZN_1-xNI_XO 纳米晶的制备及磁性能研究
• 4.1 样品制备
• 4.2 形貌和 XRD 结构分析
• 4.3 显微 RAMAN 光谱分析
• 4.4 磁性分析
• 4.5 本章小结
• 1-xMN_XO 薄膜的制备和磁、光性能研究'>第五章 ZN_1-xMN_XO 薄膜的制备和磁、光性能研究
• 5.1 样品制备
• 5.2 沉积温度对于成膜的影响
• 5.3 XRD 结构分析
• 5.4 显微 RAMAN 光谱研究
• 5.5 阴极射线发光分析
• 5.6 薄膜磁性
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文