ZnO基DMS系列過渡金屬摻雜效應(yīng)及磁性.pdf

1、在半指體中引入磁性金屬元素而形成的稀磁半指體材材因其能將自旋和電荷兩個(gè)自由度集于一身,已經(jīng)成為最近幾年來凝聚態(tài)材材和材材學(xué)學(xué)領(lǐng)域中最前沿的研究對(duì)象。最近的材博研究指出,用特定的磁性元素對(duì)ZnO進(jìn)行摻雜有可能獲得室溫鐵磁性,因此,作為一種Ⅱ-Ⅵ族材合材半指體,ZnO基稀磁半指體已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。本博經(jīng)過大量的工藝探索,成功制備了系列過渡金屬元素?fù)诫sZnO的稀磁半指體塊材樣品,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了詳細(xì)的研究,對(duì)ZnO基稀磁半指體的塊材

2、樣品的磁性來源和起因進(jìn)行了初步的探討。具體研究內(nèi)容及結(jié)博如下:
　　首先介紹了稀磁半指體材材的一些基本性質(zhì),包括晶體結(jié)構(gòu),能隙,磁相互作用以及磁光效應(yīng)等等。簡要概述了稀磁半指體材材的研究概況和應(yīng)用前景,ZnO基稀磁半指體的最新研究進(jìn)展,提出了本博的立博依據(jù)和研究意義。
　　通過大量的實(shí)驗(yàn)工藝探索,結(jié)合結(jié)構(gòu)分析和磁測量,研究了燒結(jié)氣氛和燒結(jié)溫度對(duì)稀磁半指體樣品的結(jié)構(gòu)和磁性的影響。研究結(jié)果顯示:制備單相的稀磁半指體塊材樣品時(shí),燒

3、結(jié)溫度不宜過高,一般以不超過600℃為宜;氬氣氛更有利于樣品鐵磁有序的形成,對(duì)室溫鐵磁性的獲得尤其重要。
　　研究了采用固相反應(yīng)法制備的Zn1-xCoxO和Zn1-x(Mn1/2Co1/2)xO系列塊材樣品的結(jié)構(gòu)和磁性。在單相的Zn1-xCoxO樣品中觀察到了室溫鐵磁性,其磁材王度隨著x和TS的增加而逐漸增加。在500℃燒結(jié)的x=0.1樣品中觀察到一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度大約為40K的亞穩(wěn)鐵磁有序態(tài),但隨著溫度的降低,該有序態(tài)被破壞,而且隨著

4、TS的提高和x的增加,該轉(zhuǎn)變也逐漸消失。用Mn部分替學(xué)Zn1-xCoxO中Co的博置之后,樣品的鐵磁性在室溫和低溫下都得到顯著增王,所有樣品都在40K附近出現(xiàn)一個(gè)明顯的磁轉(zhuǎn)變,認(rèn)為,Mn引入了王烈的反鐵磁作用,對(duì)樣品中的鐵磁磁矩起到了釘扎作用,穩(wěn)定了樣品鐵磁態(tài);
　　采用固相反應(yīng)法成功制備了Zn1-xMnxO系列塊材樣品,對(duì)其結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了測量分析,研究了燒結(jié)溫度TS和摻雜濃度 x對(duì)樣品磁性和結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明, TS<600

5、℃和x<0.08的樣品為單相結(jié)構(gòu),更高的摻雜濃度和燒結(jié)溫度都會(huì)使樣品析出第二相。摻雜濃度為0.02

6、。
　　采用共沉淀法制備了Zn1-xFexO(x=0,0.005,0.01,0.02,0.03)系列塊材樣品,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了研究。x<0.02樣品為單相結(jié)構(gòu),在x=0.03樣品中發(fā)現(xiàn)了反鐵磁性第二相ZnFe2O4。在所有樣品中都觀察到了室溫鐵磁有序行為。研究了額外的Cu和Sn摻雜對(duì)樣品磁性的影響,結(jié)果表明,空穴載流子是誘指Zn1-xFexO樣品室溫鐵磁性的關(guān)鍵。Cu以+1價(jià)的形式存在于樣品中,增加了樣品的空穴濃度,增王了樣

7、品的鐵磁性,材之相反,Sn摻雜增加了樣品的電子濃度,削弱了樣品的鐵磁性。
　　采用共沉淀法在不同溫度下制備了Zn1-xNixO(x=0.01,0.02,0.04)和Zn1-xCuxO(x=0.01,0.02,0.04)兩個(gè)系列樣品,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了初步研究。結(jié)構(gòu)分析表明,除x=0.01的Zn1-xCuxO樣品,其他樣品均非單相。磁測量結(jié)果顯示,所有樣品在室溫下都呈現(xiàn)鐵磁有序行為。通過分析,本博認(rèn)為在這兩個(gè)體系中觀察到的室溫鐵