Mn掺杂ZnO纳米晶的光学和磁学性质研究

论文摘要

稀磁半导体材料是自旋电子学领域一个重要分支,由于具有巨负磁阻效应、磁光效应等新颖特性而受到人们的广泛关注。目前实现室温铁磁性是稀磁半导体研究中的重要课题,理论预测在Mn掺杂的ZnO中能够实现室温以上的铁磁性。此外,作为一种宽带隙半导体材料,ZnO的激子束缚能高达60 meV,具有优良的光学性质。因此,Mn掺杂的ZnO材料研究在磁性半导体领域广泛开展起来。本论文针对目前ZnO基稀磁半导体材料中的光学性质变化和磁性来源问题,利用溶胶-凝胶方法制备了Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料,并对其光学和磁学性质进行了系统的研究。研究表明,掺杂后材料的光学质量有所提高,并具有室温以上铁磁性。具体工作如下:1.采用无水乙醇为溶剂合成了平均粒径为27nm的Mn掺杂的ZnO纳米薄膜,讨论了掺杂浓度和退火温度对样品的结构、光学和磁学性质的影响。研究发现随着Mn化学剂量的增加,样品的晶格常数增大,这表明Mn已经进入了ZnO晶格。适量的Mn掺杂可以钝化样品的可见区发射,提高样品的紫外发光效率。磁性研究表明,较低温度退火样品在4K-300K范围内表现为顺磁性,而高温退火的样品由于出现杂相ZnMn2O4表现为室温铁磁性。2.采用一缩二乙二醇为溶剂制备了直径在2.2-2.8nm的Mn掺杂的ZnO纳米粒子,并研究了其光学、磁学特性。与ZnO相比,掺杂后的样品室温下紫外发光相对增强,可见发光几乎完全消失,这表明掺杂后的样品具有良好的光学性质。同时,通过M-T曲线和M-H曲线,发现样品具有高于室温的居里温度。分析认为样品的室温磁性来自于Mn掺杂的ZnO而不是杂质。3.制备了高质量的具有六角纤锌矿结构的纳米Zn1-xMgxO薄膜。随Mg含量的增加,晶体的禁带宽度逐渐变大,光学质量提高。为了在提高样品的光学质量的同时获得磁性,制备了Mg、Mn共同掺杂的ZnO纳米薄膜。样品的光学性质与单纯Mn掺杂的ZnO纳米晶薄膜相比有所提高,但不利于形成均匀的替代式掺杂的ZnO,出现了尖晶石结构的Mn3O4和MgMn2O4。分析认为样品的磁性来源于MgMn2O4。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 自旋电子学
• 1.2 稀磁半导体的研究进展
• 1.3 ZnO基稀磁半导体
• 1.4 Mn掺杂ZnO的研究进展
• 1.5 本论文的研究意义及工作安排
• 参考文献
• 第二章 试剂来源、实验方法和样品的分析表征手段
• 2.1 试剂来源及处理方法
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 溶胶－凝胶合成方法及其优点
• 2.2.2 热氧化退火设备
• 2.3 样品的分析和表征手段
• 2.3.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜（FESEM）和X 射线能谱分析仪（ED52）
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射图（SAD）
• 2.3.4 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.5 晶体的紫外-可见吸收光谱（UV-Vis Absorption）
• 2.3.6 微区光致发光（PL）
• 2.3.7 电子顺磁共振（EPR）
• 2.3.8 振动样品磁强计（VSM）
• 2.3.9 超导量子磁强计（SQUID）
• 参考文献
• 第三章 Mn 掺杂ZnO 纳米晶的结构、光学和磁学性质研究
• 3.1 掺杂浓度对 Mn 掺杂 ZnO 纳米晶的结构和光致发光的影响
• 3.2 退火温度对Mn掺杂ZnO纳米晶的结构和磁性的影响
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Mn 掺杂ZnO 纳米粒子的制备及结构、光学和磁学性质研究
• 4.1 常压下 Zn、Mn 同时投入反应制得 Mn 掺杂 ZnO 纳米团簇的结构
• 4.2 Zn、Mn 分别投入反应制得 Mn 掺杂 ZnO 纳米团簇的结构、光学和磁学性质
• 4.3 低压下 Zn、Mn 分别投入反应制得 Mn 掺杂 ZnO 纳米粒子的结构、光学和磁学性质
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 Mg、Mn 共掺的ZnO 纳米薄膜的光学性质和磁性
• 5.1 ZnMgO 合金的制备及其结构和光学特性
• 5.1.1 ZnMgO 合金的物理性质和研究意义
• 5.1.2 ZnMgO 合金的研究进展
• 5.2 ZnMgO 的制备及其物性研究
• 5.3 退火对ZnMgO 纳米薄膜的结构和光学质量的影响
• 5.4 Mg、Mn 共掺的ZnO 纳米结构的结构、光学和磁学性质
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 作者简介
• 参与的课题与发表文章目录
• 致谢