ZnO基稀磁半導體的電子結(jié)構(gòu)和磁性研究.pdf

1、本論文主要利用同步輻射X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(XAFS)技術(shù)，并結(jié)合其它多種實驗手段從實驗和理論兩方面聯(lián)合研究了不同方法制備的過渡金屬摻雜ZnO基稀磁半導體體系的結(jié)構(gòu)和性能。采用溶膠-凝膠(sol-gel)法和脈沖激光沉積(PLD)法、分別以平衡態(tài)生長方式和非平衡態(tài)生長方式制備出一系列過渡金屬單摻雜和共摻雜的樣品。利用XAFS方法詳細研究了在不同制備方法和摻雜條件下過渡金屬原子在ZnO介質(zhì)中的局域結(jié)構(gòu)變化以及摻雜原子對于基質(zhì)中Zn原子的局域

2、結(jié)構(gòu)的影響。得到了摻雜原子占位、配位環(huán)境等局域結(jié)構(gòu)信息，解析了過渡金屬在基質(zhì)ZnO中的存在方式及溶解度。結(jié)合超導量子干涉儀(sQun)和振動探針式磁強計(VSM)給出的磁學性質(zhì)，從微觀結(jié)構(gòu)上探討了樣品的鐵磁性來源以及產(chǎn)生機理，為制備高性能的ZnO基半導體提供實驗和理論基礎(chǔ)。 1. Co團簇在Zn1-xCoxO稀磁半導體薄膜中的作用 利用XAFS和XRD研究了脈沖激光沉積法(PLD)在Si(100)襯底上制備的Zn1-xC

3、oxO(x=0.02，0.05，0.10)稀磁半導體薄膜的局域結(jié)構(gòu)和磁學性質(zhì)。結(jié)果表明在低含量的Zn0.98Co0.02O薄膜樣品中，Co主要以替代位的形式存在，而在較高含量的Zn0.95Co0.05O和Zn0.90Co0.10O薄膜樣品中，部分Co原子以金屬Co團簇的物相析出。磁性測量結(jié)果表明Co原子的磁矩Ms隨著Co濃度的增加而明顯減小，因此Co團簇是超順磁性的。對于Zn0.98Co0.02O薄膜樣品，由于氧空位的形成，處于替位式C

4、o原子產(chǎn)生了較強的局域結(jié)構(gòu)扭曲，誘導產(chǎn)生本征弱室溫鐵磁性。 2.共摻雜Cu離子在Zn0.95Co0.05O稀磁半導體中的溶解度和結(jié)構(gòu)的研究 利用XAFS技術(shù)研究了溶膠-凝膠法制備的Co，Cu共摻雜Zn0.95-xCuxCo0.05O(0≤x≤0.08)稀磁半導體(dilute magnetic semiconductors DMS)材料。對于所有樣品，Co的K邊XAFS結(jié)果表明摻入的Co2+離子完全替代了Zn2+離子位置

5、并造成了晶格的擴張。而Cu的K邊XAFS及XRD結(jié)果表明在1073K下灼燒的樣品摻雜的Cu離子以CuO物相存在。經(jīng)高溫(1473K)燒結(jié)后，在低的Cu摻雜濃度(x≤0.02)，Cu離子替代了Zn的位置，而在較高的Cu摻雜濃度(x≥0.05)，仍有少量Cu以CuO物相存在。由XAFS結(jié)果估算得到Cu離子在Zn0.95Co0.05O DMS中的溶解度約為0.04。同時，OK邊XANES譜表明1073K下灼燒的系列樣品中大量的替位式Co以二聚

6、物的形式存在；而高溫煅燒下的樣品中處于替位式的Co、Cu離子均勻分散于ZnO的晶格中。這些結(jié)果為合成共摻雜ZnO基DMS材料提供了實驗指導。 3. Zn0.95-xCuxCo0.05O納米聚合物結(jié)構(gòu)和性能的研究 利用溶膠-凝膠方法制備了Zn0.95-xCuxCo0.05O稀磁半導體材料。磁性測量結(jié)果表明樣品具有弱的室溫鐵磁性。XAFS、XRD和XPS結(jié)果表明Co完全以替位式分散到ZnO晶格中，并且造成了局域結(jié)構(gòu)的膨脹和扭

7、曲。在較低Cu摻雜濃度(x≤0.02)時，Cu離子以替位式形式存在，而在較高Cu摻雜濃度x≥0.05時，部分Cu離子形成CuO的物相。分析表明結(jié)構(gòu)扭曲以及樣品在施壓過程中形成的晶界缺陷是Zn0.95Co0.05O弱室溫鐵磁性的來源。而對于Zn0.95-xCuxCo0.05O，共摻雜的Cu雖然以+2價態(tài)替代了ZnO中Zn的位置，但由于其3d軌道受Co的3d軌道雜化影響向能隙方向遷移形成局域雜質(zhì)態(tài)，不能與O的2p軌道發(fā)生充分雜化，因此無法有