过渡元素掺杂ZnO稀磁半导体的制备及性质研究

论文摘要

稀磁半导体是指非磁性半导体基体（例如ZnO,TiO2,SnO2,In2O3等）的部分离子被过渡族金属离子替代,并具有磁性的半导体。在这些非磁性基体中,由于ZnO具有宽能带（3.37eV）和较大的激发能（60meV）,因此ZnO基稀磁半导体最近几年得到了广泛的关注。居里温度达到或超过室温的稀磁半导体（DMSs）在自旋电子器件领域（例如磁随机存储、光频隔离器、量子计算机等）有着潜在的应用价值。因此,过渡元素掺杂ZnO稀磁半导体的制备及性质研究具有重大的意义。本文利用溶胶-凝胶法和化学溶液沉积法制备了过渡金属掺杂ZnO样品,并采用X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱、X射线精细结构分析技术、振动样品磁强计、紫外显微拉曼-荧光光谱仪等测试手段对样品的结构、磁性及发光特性进行了系统地研究。首先,利用溶胶-凝胶法和化学溶液沉积法制备了Co掺杂ZnO样品。研究结果表明,对于Co掺杂ZnO纳米颗粒而言,样品在室温下具有铁磁性,且样品的饱和磁化强度随着热处理温度的升高而减小。此外,对于Co掺杂ZnO纳米薄膜而言,Co离子进入到了ZnO的晶格中,并且Co2+成功替代了ZnO中的Zn位置。样品同样在室温下具有铁磁性,其磁性很可能来源于样品中形成的束缚磁极化子。其次,我们利用溶胶-凝胶法制备了Ni掺杂的ZnO稀磁半导体粉末样品。实验结果表明,单一相的Ni掺杂ZnO样品中,Ni是以+2价形式存在并替代ZnO中的Zn位置。样品具有室温铁磁性,其饱和磁化强度随掺杂浓度增加而增加,分析结果认为Ni掺杂ZnO的铁磁性为其本质特性。而不同气氛下制得的Zn1-xNixO样品结构及磁性不同,这与在样品中氧空穴的含量有关。光学测试结果表明,由于过渡金属Ni的掺入使ZnO晶格发生变形,因此掺杂后样品的紫外峰及可见光区发光峰均发生了变化。再次,利用溶胶-凝胶方法成功地制备了Cr掺杂ZnO稀磁半导体。首先,研究了Cr掺杂对ZnO结构、光学及磁学特性的影响。结果表明：Cr离子至少部分地进入到znO晶格中并替代了ZnO中Zn的位置,掺杂Cr离子能够抑制晶粒的长大。在空气中热处理的样品,Cr以Cr3+离子的形式掺入到了ZnO晶格中,并成功的替代了Zn2+离子。掺杂浓度小于5%的样品具有良好的室温铁磁性。PL测试结果进一步证实了铁磁性是Cr掺杂ZnO样品的本质特性,并且铁磁性的来源应归因于Cr掺杂。最后,我们分析了V的掺入对ZnO样品的结构与性能的影响。在氩气气氛下制得的样品,V离子在样品中以+4价态存在,随V掺杂量的增加,样品的饱和磁化强度随之增加。而在空气气氛下,V离子在样品中以+5价态存在,随V掺杂量的增加,样品的饱和磁化强度发生了减小。对比这个不同,我们认为缺陷是V掺杂ZnO具有室温铁磁性的根源。本论文中的研究结果不但为过渡元素单掺杂ZnO样品的研究提供了优化的制备条件,而且在过渡元素掺杂ZnO样品的性能研究中得到了一些有意义的结果,这些结果对于提高ZnO的光学和磁学特性提供了一个有效的途径,也对其实际应用有着重要价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学
• 1.2 稀磁半导体
• 1.2.1 稀磁半导体的发展历史及现状
• 1.2.2 稀磁半导体的磁性产生机制
• 1.3 ZnO基稀磁半导体
• 1.3.1 ZnO的结构及基本性质
• 1.3.2 ZnO基稀磁半导体的研究现状
• 1.3.3 ZnO基稀磁半导体的制备方法
• 1.4 本论文的选题依据及研究内容
• 第二章 试剂来源、制备方法及样品的表征手段
• 2.1 引言
• 2.2 试剂来源及制备仪器
• 2.2.1 试剂来源
• 2.2.2 实验设备及仪器
• 2.3 样品的制备
• 2.3.1 溶胶-凝胶法制备粉末样品
• 2.3.2 溶胶-凝胶法制备薄膜样品
• 2.4 样品的表征手段
• 2.4.1 差热/热重分析
• 2.4.2 X射线衍射分析
• 2.4.3 扫描/透射电镜分析
• 2.4.4 X射线光电子能谱分析
• 2.4.5 X射线吸收精细结构测量
• 2.4.6 振动样品磁强计
• 2.4.7 拉曼光谱/光致发光光谱分析
• 第三章 Co掺杂ZnO体系研究
• 3.1 Co掺杂ZnO的研究现状
• 3.2 溶胶-凝胶法制备Co掺杂ZnO稀磁半导体纳米颗粒
• 3.2.1 实验过程
• 3.2.2 差热-热重分析
• 3.2.3 Co掺杂ZnO稀磁半导体纳米颗粒的结构分析
• 3.2.4 Co掺杂ZnO稀磁半导体纳米颗粒的磁性分析
• 3.3 化学溶液沉积法制备Co掺杂ZnO稀磁半导体薄膜
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 Co掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的结构分析
• 3.3.3 Co掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的磁性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 Ni掺杂ZnO体系研究
• 4.1 Ni掺杂ZnO的研究现状
• 4.2 Ni掺杂ZnO稀磁半导体的制备及表征
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 不同Ni掺杂浓度对ZnO结构的影响
• 4.2.3 不同Ni掺杂浓度对ZnO磁学特性的影响
• 4.2.4 不同Ni掺杂浓度对ZnO光学特性的影响
• 4.3 热处理温度对Ni掺杂ZnO稀磁半导体结构及性能的影响
• 4.3.1 热处理温度对Ni掺杂ZnO样品结构的影响
• 4.3.2 热处理温度对Ni掺杂ZnO样品磁学特性的影响
• 4.3.3 热处理温度对Ni掺杂ZnO样品光学特性的影响
• 4.4 烧结气氛对Ni掺杂ZnO稀磁半导体结构及性能的影响
• 4.4.1 烧结气氛对Ni掺杂ZnO样品结构的影响
• 4.4.2 烧结气氛对Ni掺杂ZnO样品磁学特性的影响
• 4.4.3 烧结气氛对Ni掺杂ZnO样品光学特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 Cr掺杂ZnO体系研究
• 5.1 Cr掺杂ZnO的研究现状
• 5.2 Cr掺杂对ZnO结构、光学及磁学特性的影响
• 5.2.1 实验过程
• 5.2.2 结构分析
• 5.2.3 化学态分析
• 5.2.4 光学特性分析
• 5.2.5 磁性分析
• 0.97Cr_0.03O纳米颗粒的结构、磁性和光学性质的影响'>5.3 不同热处理温度对Zn_0.97Cr_0.03O纳米颗粒的结构、磁性和光学性质的影响
• 5.3.1 实验过程
• 5.3.2 结构分析
• 5.3.3 化学态分析
• 5.3.4 磁性分析
• 5.3.5 光学特性分析
• 5.4 不同Cr掺杂浓度对ZnO结构、磁性及光学性质的影响
• 5.4.1 实验过程
• 5.4.2 结构分析
• 5.4.3 化学态分析
• 5.4.4 磁性分析
• 5.4.5 光学特性分析
• 0.97Cr_0.03O结构、磁性及光学性质的影响'>5.5 Cu掺杂浓度对Zn_0.97Cr_0.03O结构、磁性及光学性质的影响
• 5.5.1 实验过程
• 5.5.2 结构分析
• 5.5.3 化学态分析
• 5.5.4 光学特性分析
• 5.5.5 磁性分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 V掺杂ZnO体系研究
• 6.1 V掺杂ZnO的研究现状
• 6.2 氩气气氛下V掺杂ZnO稀磁半导体的制备及表征
• 6.2.1 实验过程
• 6.2.2 结构表征
• 6.2.3 磁学特性表征
• 6.2.4 光学特性表征
• 6.3 热处理温度对V掺杂ZnO稀磁半导体结构、磁性及光学特性的影响
• 6.3.1 实验过程
• 6.3.2 热处理温度对V掺杂ZnO稀磁半导体结构的影响
• 6.3.3 热处理温度对V掺杂ZnO稀磁半导体磁性的影响
• 6.3.4 热处理温度对V掺杂ZnO稀磁半导体光学特性的影响
• 6.4 空气气氛下V掺杂ZnO稀磁半导体的制备及表征
• 6.4.1 实验过程
• 6.4.2 结构表征
• 6.4.3 磁学特性表征
• 6.4.4 光学特性表征
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及参与课题