化學方法制備的稀磁半導體的結(jié)構(gòu)和磁性研究.pdf

1、由于自旋相關現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及其許多極具潛力的實用性，自旋電子學的研究在全世界得到了廣泛開展。其中磁性半導體被認為是下一代利用電子的自旋自由度制造微電子元件的主要材料，有很好的應用前景。 近年來很多研究小組都制備出具有室溫鐵磁性的稀磁半導體，但稀磁半導體的鐵磁性起源尚有很大爭議。磁性來源的理論也主要分為兩大部分：一種是由載流子誘導的鐵磁交換耦合，如RKKY交換作用。另一種認為與樣品中的缺陷有關，具有代表性的是束縛極化子(BMP)模型。

2、 在本文中，我們系統(tǒng)地研究了Co-SnO2薄膜和粉末，Tb-In2O3薄膜和Co-ZnO納米棒陣列的微結(jié)構(gòu)、光學性質(zhì)、電性和磁性，得到的主要結(jié)果如下： 1.溶膠-凝膠法制備的Co-SnO2粉末和薄膜樣品 (1)在Co-SnO2粉末和薄膜樣品中，均得到了純的金紅石礦結(jié)構(gòu)。并且隨著Co摻雜量增加，樣品的晶粒尺度減小，說明Co2+的摻雜抑制了晶粒的生長。 (2)高分辨電鏡觀察顯示：樣品的晶格規(guī)則且沒有扭曲或變形

3、，其選區(qū)電子衍射(SAED)表明樣品為金紅石相的SnO2，且沒有雜相。X射線光電子譜研究表明Co元素的價態(tài)為2+。由此得出CO2+進入了SnO2晶格中。 (3)得到了具有室溫鐵磁性的Co-SnO2粉末和薄膜樣品，核磁共振(NMR)研究表明樣品的磁性為內(nèi)稟的。在不同Co摻雜量的樣品中，每Co磁矩隨摻雜量的增加而減小。對這種現(xiàn)象的解釋是：隨著Co摻雜量的增加，Co離子之間的距離減小，Co離子之間通過氧離子發(fā)生反鐵磁超交換作用，導致了

4、每Co磁矩的減小。 (4)用Sn1-xCoxO2溶膠旋涂在Si(111)和Si(非晶)襯底上制備成薄膜樣品。研究表明，Si(111)襯底上的樣品結(jié)晶明顯好于Si(非晶)襯底上的，而磁性也明顯強于Si(非晶)襯底上的，說明磁性與結(jié)晶好壞密切相關。 (5)由于化學法鍍膜樣品的電阻很大，磁性起源不能用載流子誘導的交換作用模型，而需用BMP模型來解釋。為了求證BMP模型是否適用于Co-SnO2的系統(tǒng)，首先將樣品在氧化環(huán)境下進行退

5、火，磁性消失。隨后將樣品在真空環(huán)境下進行退火，磁性又重現(xiàn)。這個結(jié)果證明了氧空位對CoxSn1-xO2系統(tǒng)的鐵磁性有著重要的影響，證實了BMP模型適用于CoxSn1-xO2薄膜系統(tǒng)。 2.溶膠-凝膠法制備稀磁半導體(In1-x-yTbxSny)2O3薄膜 (1)不同摻雜量的(In0.9-xTbxSn0.1)2O3和(In0.99-yTb0.01Sny)2O3薄膜樣品均為純的立方結(jié)構(gòu)。 (2)磁性研究表明：對于不同T

6、b摻雜量的樣品，隨Tb摻雜量的增加，樣品的每Tb磁矩先增加。當摻雜量為1％時，磁矩最大，為8.2μB/Tb。之后樣品的磁矩隨著Tb摻雜量的增加而減小。電性研究表明：隨著Tb摻雜量的增加，樣品的電導率先增大后減小，這個趨勢和磁矩與Tb摻雜量的關系相同，說明樣品的磁矩和它的電導率有關。 (3)對于不同Sn摻雜量的樣品，隨Sn摻雜量的增加，樣品的每Tb磁矩先增加后減小。樣品的電導率與Sn摻雜量的關系和每Tb磁矩與Sn摻雜量的關系趨勢一

7、致。由于電導率正比于載流子濃度，說明樣品的磁矩和載流子的濃度有關。因此，該系統(tǒng)中磁性的來源可用載流子誘導的交換作用(RKKY)來解釋。 3.水熱法制備稀磁半導體Zn1-xCoxO納米棒陣列 (1)在Si襯底上成功的制備出了ZnO和Zn1-xCoxO納米線陣列，所有的納米線都垂直于襯底。隨著反應時間和Zn2+離子在溶液中濃度的增加，納米棒的直徑和長度隨之增大。納米棒的直徑為50～250nm，長度為100nm～3μm。