ZnO基稀磁半导体的制备与性能研究

论文摘要

随着现今集成电路器件的尺寸减小,电子的各种量子效应将会越来越突出,其中,电子的自旋特性将会占据极为重要的地位。在自旋电子学中,自旋极化电流的有效注入是自旋电子器件进入实用化的前提条件。稀磁半导体兼具半导体性质和磁性能,能有效地进行自旋注入。本文从理论和实验两个方面对氧化锌基稀磁半导体材料的性能进行了研究。在理论上,通过第一性原理计算,对ZnO中两种主要的本征点缺陷VO和Zni以及Li掺入后形成的点缺陷Lii、LiZn对ZnO的性能影响进行研究。结果表明,上述各种缺陷均无法单独在ZnO中诱发铁磁性。其次,对单独进行Mn、Ni掺杂的ZnO也进行了仿真计算。发现在Mn单掺杂的ZnO中,Mn的自旋倾向于反向排列,两个Mn原子之间也倾向于靠近,整体上易于形成反铁磁性团簇。这说明单独的Mn掺杂ZnO难以形成具有室温铁磁性的稀磁半导体材料。而在Ni掺杂的ZnO中,Ni的自旋排列对整个体系的能量影响不大,单独掺杂Ni也可能会产生铁磁性。在实验上,用传统的固相烧结法制备了Ni单掺杂、Li和Ni共掺杂以及Mn和Li共掺杂的ZnO基稀磁半导体材料。在三种材料中都发现了室温铁磁性。当磁性掺杂离子的浓度少于5 mol %时,在相同外磁场强度的情况下,材料的磁化强度会随着磁性掺杂离子的浓度的增大而增强。但在NiZnO材料中掺入少量的Li时,原本有铁磁性的材料变成了无铁磁性,而当Li浓度较高时,NiZnO体系又出现了铁磁性。在MnZnO中,过多的Li可能会削弱MnZnO的铁磁性。这主要是因为Li掺入后会较大地改变ZnO的载流子浓度,而ZnO基DMS的铁磁性可能来源于载流子媒介的交换作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 自旋电子学简介
• 1.2 稀磁半导体简介
• 1.3 稀磁半导体的研究进展
• 1.4 ZnO 基稀磁半导体的研究进展
• 1.5 本论文的主要内容和框架
• 2 ZnO 基稀磁半导体磁性能的理论计算
• 2.1 纯ZnO 的性能计算
• 2.2 ZnO 的本征缺陷对ZnO 基DMS 磁性能的影响
• 2.3 Li 掺杂对ZnO 基DMS 磁性能的影响
• 2.4 Mn 掺杂对ZnO 基DMS 磁性能的影响
• 2.5 Ni 掺杂对ZnO 基DMS 磁性能的影响
• 2.6 小结
• 3 Ni 掺杂ZnO 基稀磁半导体的研制及性能分析
• 3.1 制备方案
• 3.2 制备工艺
• 3.3 XRD 测试及分析
• 3.4 XPS 测试及分析
• 3.5 磁性能测试及分析
• 3.6 小结
• 4 Li、Ni 共掺杂ZnO 基稀磁半导体的研制及性能分析
• 4.1 制备方案
• 4.2 XRD 测试及分析
• 4.3 磁性能测试及分析
• 4.4 小结
• 5 Li、Mn 共掺杂ZnO 基稀磁半导体的研制及性能分析
• 5.1 制备方案
• 5.2 Mn 掺杂浓度的影响
• 5.3 Li 掺杂浓度的影响
• 5.4 烧结温度的影响
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 第一性原理计算所得的结论
• 6.2 实验方面所得结论
• 6.3 实验的下一步展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文