過渡金屬元素Co和Mn摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體塊材樣品的制備及磁性.pdf

1、在半導(dǎo)體中引入磁性金屬元素而形成的稀磁半導(dǎo)體材料因其能將自旋和電荷兩個自由度集于一身，已經(jīng)成為最近幾年來凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域中最前沿的研究對象。最近的理論研究指出，用特定的磁性元素對ZnO進(jìn)行n型摻雜有可能獲得室溫鐵磁性，因此，作為一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，ZnO已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的固相反應(yīng)法在ZnO半導(dǎo)體中引入磁性過渡金屬元素Co和Mn，對樣品的磁化行為進(jìn)行了初步研究，試圖揭示出稀磁半導(dǎo)體中鐵磁性的起因。主要研究內(nèi)

2、容如下：第一章介紹了稀磁半導(dǎo)體的研究概況和應(yīng)用前景，簡要概述了稀磁半導(dǎo)體ZnO半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、能隙等基本性質(zhì)，最后提出了本文的立論依據(jù)，指出了本文的研究意義。第二章簡要介紹了樣品的制備工藝和探索過程，以及稀磁半導(dǎo)體中可能存在的磁相互作用。第三章從實(shí)驗(yàn)上研究了Co摻雜ZnO系列樣品的結(jié)構(gòu)及其磁化行為，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論了樣品磁性的起因，并對樣品中的磁相互作用的機(jī)制進(jìn)行了初步探討。得出如下結(jié)論：（1）采用標(biāo)準(zhǔn)的固相反應(yīng)法制備的Zn1-xC

3、oxO樣品為單相；（2）低溫（TS<600oC）制備的Zn0.9Co0.1O樣品在低溫區(qū)呈現(xiàn)鐵磁有序行為，磁轉(zhuǎn)變溫度TC大約為40K；（3）摻雜樣品的制備溫度TS以及摻雜濃度x對樣品磁化行為有顯著的影響，鐵磁有序僅存在于低溫制備的低摻雜濃度的Zn1-xCoxO樣品中；（4）Zn1-xCoxO摻雜樣品中的鐵磁性來源于在樣品的順磁性背景上生長出來的鐵磁性集團(tuán)之間的鐵磁性耦合，是樣品的本征行為；（5）運(yùn)用磁滲流理論對Zn1-xCoxO樣品的磁

4、化行為在定性上給出了合理的解釋。第四章在上一章的研究基礎(chǔ)上，在Zn1-xCoxO體系中引入額外的Mn，對Zn1-x(Mn1/2Co1/2)xO樣品的磁性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。主要結(jié)論如下：（1）摻雜濃度低于15﹪的樣品是單相的纖維礦結(jié)構(gòu)，摻雜濃度為30﹪的樣品的主相同樣是纖維礦結(jié)構(gòu)，但隨著TS的變化，樣品中出現(xiàn)不同的反鐵磁性第二相；（2）低溫（TS<700oC）制備的Zn1-x(Mn1/2Co1/2)xO樣品在低溫下呈現(xiàn)鐵磁有序，磁轉(zhuǎn)變溫度

5、大約為45K，在高于700oC的溫度下制備的樣品均顯示順磁性；（3）Zn1-x(Mn1/2Co1/2)xO樣品的磁化強(qiáng)度很難達(dá)到飽和，對摻雜濃度為10﹪的樣品，即使在10K時，70000Oe的外場下，樣品的磁化強(qiáng)度僅達(dá)到0.4emu/g，遠(yuǎn)小于理論值；（4）通過研究樣品磁化率與溫度的關(guān)系，證實(shí)了樣品中Griffiths相的存在，并對樣品磁化率的行為給出了定性解釋；（5）在Co摻雜ZnO的基礎(chǔ)上，引入額外的Mn，更有利于樣品中鐵磁有序的形