In-,2-O-,3-基稀磁半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和性能的研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體(DMSs)由于同時利用了電子的電荷和自旋而具有很多獨特的性能，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2000年，Dietl等人理論預(yù)測寬帶隙半導(dǎo)體中能夠?qū)崿F(xiàn)室溫鐵磁性，引起了研究者們對氧化物基稀磁半導(dǎo)體的研究熱潮。其中以過渡金屬摻雜ZnO、TiO2、SnO2和In2O3基的研究最廣泛。下一代多功能器件要求材料同時具有良好的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，因而尋找具有可調(diào)控的載流子濃度、高遷移率、高磁矩及透明的磁性半導(dǎo)體材料至關(guān)重要。本文

2、報道的Ni-In2O3稀磁半導(dǎo)體很有希望可以滿足以上的條件。
　　 本文采用溶膠凝膠法制備了Ni-In2O3稀磁半導(dǎo)體粉末和薄膜。首次研究了Ni在In2O3中的溶解度，討論了樣品的結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)性能和室溫磁性能隨Ni的摻雜量變化的規(guī)律，并進一步研究了退火溫度對樣品結(jié)構(gòu)和性能的影響，初步探討了體系的磁性產(chǎn)生機理。首先以水合硝酸銦、水合硝酸鎳、乙酰丙酮和乙二醇甲醚作為原料配制 前驅(qū)體溶膠。再在110℃烘干，研磨后于不同溫度下煅燒獲

3、得粉末樣品，或采用提拉法在相同熱處理條件下制備薄膜樣品。
　　 (In1-xNix)2O3-δ納米粉體樣品的XRD結(jié)果表明，當(dāng)Ni的含量x≤0.1時無雜質(zhì)相產(chǎn)生，x=0.15時出現(xiàn)了雜質(zhì)相，因此可得Ni在In2O3中的溶解度約為10％。為了進一步驗證10％樣品中是否不含第二相，對500℃退火的(In0.9Ni01)2O3-δ納米粉體進行了XPS的測試，結(jié)果表明此樣品中確實不含雜質(zhì)相，Ni離子成功的以Ni2+進入了In2O3晶格中

4、取代了In3+。同時對O1s光電子譜的研究發(fā)現(xiàn)樣品中含有大量的氧空位。在Ni的溶解度范圍內(nèi)，Ni的摻入能夠促進顆粒的長大，納米顆粒的粒徑隨Ni含量的增加而增大。(In1-xNix)2O3-δ(x=0.05、0.1)納米粉體樣品具有很好的室溫鐵磁性，且證實鐵磁性為本征的。隨Ni含量的增大，磁性離子的平均間距減小，磁交換作用增強，飽和磁化強度逐漸增加。而增加退火溫度后，顆粒的粒徑變小，飽和磁化強度有減小的趨勢。最大飽和磁化強度達0.44em

5、u/g(0.11μB/Ni，(In0.9Ni0.1)2O3-δ納米粉體，500℃煅燒)。通常認(rèn)為體系中磁性的產(chǎn)生源自于載流子為媒介的交換作用，而樣品中的陽離子缺陷和氧空位能夠調(diào)節(jié)載流子的濃度。與Ni-In2O3塊體和薄膜相比，本文制備的Ni-In2O3粉體的飽和磁化強度處于兩者之間，這正是由不同材料類型之間，結(jié)構(gòu)的完整性和缺陷數(shù)的差異所致。
　　 根據(jù)對體系磁性產(chǎn)生機理的分析可知，薄膜樣品可能具有更優(yōu)越的磁性能。因此在相同工藝條

6、件下制備了(In1-xNix)2O3-δ薄膜樣品，期望它有更好的磁性能，并對它的結(jié)構(gòu)和性能做了研究。(In1-xNix)2O3-δ薄膜樣品的XRD圖譜表現(xiàn)出與粉體樣品相同的規(guī)律，通過對品格常數(shù)的計算表明x≤0.1時，樣品晶格常數(shù)呈線性減小，x≥0.1，樣品的晶格常數(shù)無明顯變化，說明Ni在In2O3薄膜中的溶解度也為10％，與粉體結(jié)果相同。在溶解度范圍內(nèi)，隨Ni含量的增加，樣品顆粒的生長能力增加，Ni離子間的交換作用增強，晶格畸變加重，從

7、而使薄膜樣品的粒徑，飽和磁化強度逐漸增大，對光的散射增強進而可見光透過率逐漸降低。(In0.9Ni0.1)2O3-δ薄膜樣品進行了不同煅燒溫度的實驗(400℃、450℃、500℃、550 ℃)，結(jié)果表明樣品的晶粒大小和飽和磁化強度都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。最大飽和磁化強度高達356emu/cm3(11.8μB/Ni)。500℃煅燒的樣品表現(xiàn)出最好的磁性能，由于Ni的摻入量相同，磁性的增強意味著較高的載流子濃度，而載流子濃度增加，對光的