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文檔簡介
1、稀磁半導(dǎo)體材料是將少數(shù)百分比的磁性離子摻雜到無磁性的半導(dǎo)體材料中而形成的新型功能材料,它能將半導(dǎo)體材料所操縱的電子電荷自由度與磁性材料所操縱的電子自旋自由度相融合,構(gòu)造出同時操縱電荷自由度與自旋自由度的新一代電子器件。這種超常規(guī)的新型功能材料,在未來社會的信息領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
ZnO作為直接帶隙、寬禁帶半導(dǎo)體,具有優(yōu)異的導(dǎo)電、光學(xué)、光致發(fā)光、壓敏和氣敏特性。同時,一些過渡族金屬離子在ZnO中具有較高的固溶度。因此,Zn
2、O被認(rèn)為是很好的稀磁半導(dǎo)體基質(zhì)材料之一。但是,對它的研究也存在著下列問題:第一,磁性來源于磁性離子團(tuán)簇等雜質(zhì)相而不是材料的本征屬性;第二,沒有雜質(zhì)相的材料居里溫度低于室溫;第三,制備本征室溫鐵磁性的材料重復(fù)率很低;第四,沒有統(tǒng)一的磁性理論用于解釋稀磁半導(dǎo)體的磁性機(jī)制。這些問題,尤其是最后一個問題,嚴(yán)重地制約著ZnO基稀磁半導(dǎo)體的應(yīng)用。
本研究首先利用溶膠-凝膠法,分別制備了Co、Mn、Fe及Ni等過渡族金屬元素?fù)诫sZnO的納米
3、晶體薄膜及粉體多個系列樣品。通過X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、紫外-可見光光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、振蕩樣品磁強(qiáng)計等檢測手段,對樣品的結(jié)晶狀況、結(jié)構(gòu)、成分、磁性進(jìn)行了細(xì)致地分析。然后,基于實(shí)驗研究結(jié)果,引入改進(jìn)的伊辛模型,采用蒙特卡洛模擬技術(shù),對ZnO基稀磁半導(dǎo)體的磁性機(jī)制進(jìn)行模擬研究。
實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn):(1)在室溫下,具有本征鐵磁性的Zn1-xCoxO樣品,其間接鐵磁性交換作用媒介是氧空位俘獲的n-型束縛載
4、流子及去局域化的施主雜質(zhì)。后者的作用,在其自身的濃度和晶格完整性達(dá)到一定水平時才有突出表現(xiàn);(2)在室溫下,經(jīng)500℃~750℃煅燒的Zn1-xMnxO(x=0.005~0.05)粉末樣品具有本征鐵磁性,其磁性遠(yuǎn)弱于相同條件下的Zn1-xCoxO樣品。當(dāng)受主雜質(zhì)Na的濃度達(dá)到1Na/Mn~1.4 Na/Mn時,其鐵磁性有顯著提高。證明是p-型束縛載流子誘導(dǎo)了Mn摻雜ZnO納米晶體粉末中本征鐵磁性交換作用;(3)經(jīng)500℃~1000℃煅燒
5、的Zn1-xFexO(x=0.01~0.05)粉末樣品,具有本征室溫鐵磁性,其特征與Zn1-xMnxO類似,其鐵磁性交換作用的媒介是少量的未被補(bǔ)償?shù)氖`空穴;(4)Ni的固溶度很低,在煅燒500℃時,Zn1-xNixO(x=0.005~0.015)粉末樣品具有本征室溫鐵磁性。該鐵磁性是由束縛電子調(diào)節(jié)的。此外,所有樣品的磁性參數(shù)都與磁性離子濃度不成正比關(guān)系。表明在所有樣品中,都存在著O2+誘導(dǎo)的反鐵磁性交換作用;薄膜樣品都不具有本征鐵磁性
6、。證明表面與界面阻礙了鐵磁序的形成。
首次引入Ising模型,研究稀磁半導(dǎo)體磁性機(jī)制。對Ising模型的改進(jìn)在于對其中的交換作用進(jìn)行了結(jié)合實(shí)際的處理。該模型包含了四項交互作用:(1)直接交換作用(無磁性離子團(tuán)簇時該項為0);(2)O2+為媒介的反鐵磁性的超交換作用;(3)載流子誘導(dǎo)的鐵磁性間接交換作用。引用了RKKY模型中的長程交互作用和Zener模型中的贗自旋來描述該交換作用;(4)磁各向異性等效晶體場的作用。將磁性離子及本
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