磁性半導(dǎo)體(In-,1-x-Fe-,x-)-,2-O-,3-與xFeTiO-,3--(1-x)Fe-,2-O-,3-的制備、結(jié)構(gòu)和磁性的研究.pdf

1、磁性半導(dǎo)體被認(rèn)為是制造下一代自旋電子器件的候選材料之一。一種獲得磁性半導(dǎo)體的方法是將磁性原子注入到半導(dǎo)體中，使磁性原子之間產(chǎn)生交換相互作用，形成具有鐵磁性的稀釋磁性半導(dǎo)體(Diluted Magnetic Semiconductor-DMS)。對(duì)于早期研究的DMS，它們的居里溫度(Tc)通常較低(＜110K)，不能在實(shí)際中應(yīng)用。2000年，Dietl通過Zener模型和平均場理論預(yù)測在P型寬禁帶半導(dǎo)體ZnO中摻雜5％的Mn磁性離子，有望

2、獲得高于室溫的鐵磁性。緊接著在2001年，Y.Matsumoto等人報(bào)道少量Co摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體TiO2具有高于室溫的鐵磁性(Tc＞400K)，自此以后，關(guān)于氧化物稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性得到了廣泛的研究。然而對(duì)于氧化物稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性具體來源目前仍然不清楚：有人認(rèn)為鐵磁性來源于樣品的內(nèi)稟性質(zhì)，其產(chǎn)生機(jī)理主要分為三種：第一種是由載流子誘導(dǎo)的鐵磁交換耦合，如RKKY交換作用。第二種是與樣品中的缺陷有關(guān)，具有代表性的是局域極化子(BMP)

3、模型，第三種是傳統(tǒng)的交換作用模型，比如雙交換相互作用。另外，還有人認(rèn)為鐵磁性來源于樣品中的鐵磁性團(tuán)簇或污染物，但這不是樣品的內(nèi)稟性質(zhì)。因此深入研究氧化物稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性來源對(duì)于基本問題的認(rèn)識(shí)和它們將來的應(yīng)用都具有重要的意義。對(duì)于另外一種磁性半導(dǎo)體材料FeTiO3-Fe2O3固溶體來說，它們本身就具有內(nèi)稟的鐵磁性，并且具有良好的半導(dǎo)體性質(zhì)。但是關(guān)于磁性半導(dǎo)體FeTiO3-Fe2O3固溶體的研究目前只停留在固相反應(yīng)和真空濺射制備的塊體和薄

4、膜材料上，所以研究化學(xué)法制備磁性半導(dǎo)體FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末將有助于開拓這種材料的應(yīng)用范圍和性質(zhì)研究。本論文研究的是稀磁半導(dǎo)體Fe摻雜In2O3的磁性及其來源和磁性半導(dǎo)體FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末的化學(xué)制備方法。我們采用溶膠-凝膠法制備Fe摻雜In2O3粉末樣品，采用化學(xué)共沉積法制備FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品。利用Mossbauer譜、X射線光電子譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM

5、)等手段，系統(tǒng)地研究了Fe摻雜In2O3和FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品的微結(jié)構(gòu)和磁性，得到的主要結(jié)果如下：
　　 1.(In1-xFex)2O3樣品對(duì)于溶膠-凝膠法制備的(In1-xFex)2O3粉末樣品，系統(tǒng)地研究了產(chǎn)生鐵磁性的各種條件以及鐵磁性的來源。
　　 1.1通過溶膠凝膠法制備的(In1-xFex)2O3粉末樣品，其Fe離子最高溶解度可達(dá)50％，這一結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前其它文獻(xiàn)報(bào)道的值(25％)。利用XR

6、D精修和Mossbauer譜第一次研究了Fe離子在In2O3晶格中的占位信息。結(jié)果表明，當(dāng)Fe離子濃度很低時(shí)，F(xiàn)e離子在In2O3晶格中擇優(yōu)占據(jù)24d晶位，隨著Fe離子濃度的升高，F(xiàn)e離子慢慢趨向隨機(jī)占據(jù)24d和8b晶位。這一結(jié)果為以后深入研究Fe離子在In2O3中的磁行為提供了有用信息。
　　 1.2為了在(In1-xFex)2O3樣品中獲得鐵磁性，我們分別利用了真空退火和Sn共摻雜兩種方法，發(fā)現(xiàn)真空退火可以誘導(dǎo)出鐵磁性，而S

7、n共摻雜沒有誘導(dǎo)出鐵磁性，這一結(jié)果說明在(In1-xFex)2O3樣品中，可以通過引入氧空位而不是載流子來誘導(dǎo)鐵磁性。
　　 1.3為了注入氧空位并誘導(dǎo)鐵磁性，我們第一次利用碳熱還原方法來處理(In1-xFex)2O3樣品，獲得了居里溫度高達(dá)786K且磁矩可達(dá)1.4μB/Fe的鐵磁性，而且鐵磁性的強(qiáng)弱可以通過碳劑量來調(diào)節(jié)。利用XPS分析，我們得出鐵磁性來源于氧空位誘導(dǎo)的二價(jià)Fe離子與三價(jià)Fe離子之間的雙交換作用。
　　

8、1.4第一次利用簡單的分解聚四氟乙烯方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)(In1-xFex)2O3樣品的F離子摻雜，并由此獲得了即使在高溫空氣中也很穩(wěn)定的鐵磁性。通過XPS等實(shí)驗(yàn)證實(shí)，F(xiàn)摻雜誘導(dǎo)了二價(jià)Fe離子產(chǎn)生，鐵磁性來源于二價(jià)Fe離子與三價(jià)Fe離子之間的雙交換作用。
　　 2.FeTiO3-Fe2O3固溶體樣品第一次利用了化學(xué)共沉積方法制備出純相亞鐵磁半導(dǎo)體FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品。
　　 2.1我們發(fā)現(xiàn)要制備出純相的FeTi

9、O3-Fe2O3固溶體，必須使用Fe3+和Fe2+混合鹽作為源材料，并要盡可能保證Fe2+在整個(gè)制備過程中不能被氧化為Fe3+。制備過程之前通過加熱來除去水中溶解的氧，在共沉積和熱處理過程中利用Ar氣作為保護(hù)氣體防止Fe2+被氧化，最后成功制備出純相FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品。
　　 2.2對(duì)于xFeTiO3-(1-x)Fe2O3樣品，當(dāng)x＜0.5時(shí)，由于Ti離子的無序分布材料為反鐵磁性，我們利用磁場退火方法處理了x