钴掺杂对氧化锌晶体形态及磁学性质的影响

论文摘要

本文采用水热法对ZnO晶体进行了稀磁性掺杂,其方法是在Zn（OH）2或ZnO前驱物中掺入一定量的过渡族金属氯化物,在一定的矿化剂条件下,反应温度430℃,恒温24小时,合成了掺杂Co离子或Co与其它离子共掺的ZnO晶体。采用X光能谱测量了晶体中的过渡族金属离子的含量,证实在ZnO中可以掺杂Co离子,In、Al、Ca离子掺杂量很少。所掺杂的晶体具有完整的晶体形貌,只掺Co时,晶体为六棱柱状,当掺入In、Ca时,晶体变为六角片状。研究了所合成晶体的磁性,发现Co的掺入可带来一定的铁磁交换。Zn1-xCoxO晶体呈现顺磁性和铁磁性现象；Zn1-xCoxO:（In, Ca）同样表现为顺磁性和铁磁性叠加；而Zn1-xCoxO:（In,Al）则几乎观察不到铁磁信号,基本为顺磁性；Co、Cu共掺杂的磁化强度随温度变化很小,有较弱的室温铁磁性特征,当掺入Mn后合成的Mn与Co、Cu共掺杂晶体没有铁磁性,显示低温反铁磁性。采用水热法合成掺杂ZnO晶体的同时伴有其他产物生成。这些产物经过与XRD标准谱的对比确定为CoO或Co单质。这些杂质的存在影响了对掺杂ZnO单晶的磁性表征,因此在进行SQUID测量前应首先进行磁选,分离出磁性较强的杂质。本文还研究了Co:ZnO单晶体的断面,以便确定Co在ZnO晶格中的均匀性,分析表明晶体表面与晶体内部Co分布相对均匀,只存在极微量的Co富集相。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 第2章 ZnO的主要性质
• 2.1 晶体结构
• 2.2 光学性质
• 2.3 电学性质
• 2.4 磁学性质
• 第3章 材料的磁性
• 3.1 磁性概述
• 3.2 材料磁性的微观机理
• 3.3 材料磁性的分类
• 第4章 稀磁半导体
• 4.1 稀磁半导体的基本概念
• 4.2 稀磁半导体的基本性质
• 4.2.1 稀磁半导体的磁光性质
• 4.2.2 稀磁半导体的输运性质
• 4.3 稀磁半导体的制备工艺
• 4.4 氧化锌基稀磁半导体的研究进展
• 4.4.1 三种理论模型
• 4.4.2 第一性原理计算
• 4.4.3 钻掺杂氧化锌基稀磁半导体的理论进展
• 4.4.4 钴掺杂氧化锌基稀磁半导体的实验进展
• 4.5 钴掺杂氧化锌基稀磁半导体存在的问题
• 第5章 实验方法,实验设备及表征技术
• 5.1 水热制备技术的主要特点
• 5.2 水热制备技术的发展历史
• 5.3 生长设备——高压釜
• 5.4 材料表征
• 第6章 实验结果分析
• 6.1 前驱物ZnO的制备
• 2的制备'>6.1.1 Zn（OH）₂的制备
• 6.1.2 ZnO的制备
• 6.2 所合成ZnO晶体的形貌
• 6.3 Co掺杂ZnO晶体的形态及磁性
• 6.3.1 材料的合成
• 6.3.2 磁性较弱晶体的形态及磁性
• 6.3.3 弱磁铁磁选所得磁性较强样品的形态
• 6.3.4 生长在釜内壁上样品的形态
• 6.3.5 小结
• 6.4 Co与其他离子共掺杂
• 6.4.1 Co、In、Al共掺杂ZnO晶体的形貌和磁性
• 6.4.2 Co、In、Ca共掺杂ZnO晶体的形貌和磁性
• 6.4.3 Co、Cu共掺杂和Co、Mn、Cu共掺杂对ZnO晶体形态及磁性影响
• 6.4.4 小结
• 6.5 水热法合成Co掺杂ZnO的杂质分析
• 2·6H₂O得到的产物'>6.5.1 水热处理CoCl₂·6H₂O得到的产物
• 6.5.2 高浓度掺杂合成的产物
• 6.5.3 Co微掺杂（Co:Zn=6%）条件下的合成物
• 6.5.4 小结
• 6.6 Co掺杂ZnO晶体微区分析
• 6.6.1 关于微区分析
• 6.6.2 Co掺杂ZnO稀磁半导体的SEM分析
• 6.6.3 Co掺杂ZnO稀磁半导体的X射线微分析
• 6.6.4 小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 研究生期间发表的论文
• 致谢