稀釋磁性半導(dǎo)體Zn-,1-x-Co-,x-O及Zn-,1-x-Co-,x-S的合成與磁性研究.pdf

1、近年來(lái)，因在稀釋磁性半導(dǎo)體中表現(xiàn)出獨(dú)特的磁有序現(xiàn)象而備受人們關(guān)注。主要是一方面因?yàn)樗鼘?duì)所表現(xiàn)出的獨(dú)特磁性的理解涉及到很多的基礎(chǔ)性物理問題，另一方面這些獨(dú)特的磁性蘊(yùn)涵巨大的潛在應(yīng)用前景。本文采用化學(xué)共沉淀法制備過(guò)渡金屬Co<'2+>離子摻雜的ZnO和ZnS基稀磁半導(dǎo)體(DMS)粉末。在合成的基礎(chǔ)上，結(jié)合樣品的結(jié)構(gòu)分析和磁性行為，對(duì)樣品磁性的起因進(jìn)行了初步的探討。具體內(nèi)容如下： 概述了稀磁半導(dǎo)體的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了ZnO基和ZnS

2、基稀磁半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、磁有關(guān)的效應(yīng)以及稀磁半導(dǎo)體中磁性起因。迄今，文獻(xiàn)上很多的研究集中在過(guò)渡磁性金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體薄膜材料方面，對(duì)其粉末研究涉及很少。本文以探索一種重復(fù)性好的合成高居里溫度的稀磁半導(dǎo)體粉體方法作為主要研究?jī)?nèi)容。 首先對(duì)獲得具有室溫鐵磁性的Co摻雜ZnO的粉末樣品的合成進(jìn)行了探索。研究結(jié)果表明，溶液的陳化時(shí)間和共沉淀時(shí)的pH值是關(guān)鍵的控制因素，并以此提出了反應(yīng)的機(jī)理。本文發(fā)現(xiàn)Zn<,l-x>Co<,x>O系列樣

3、品，在摻雜濃度較低時(shí)，室溫下具有鐵磁性，而摻雜濃度較高時(shí)，樣品卻表現(xiàn)出順磁性。 本文在Co摻雜ZnO研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)而對(duì)Co摻雜ZnS的粉末樣品的合成進(jìn)行了探討，并對(duì)制備的樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和磁性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，Zn<,l-x>Co<,x>S樣品也只有在低摻雜濃度情況下才能實(shí)現(xiàn)室溫鐵磁性。相對(duì)于Zn<,l-x>Co<,x>O粉末樣品，在相同摻雜濃度和相同溫度的情況下，Zn<,l-x>Co<,x>S的飽和磁化強(qiáng)度要大。

4、 借助XRD分析研究了所制備的Co摻雜ZnO和Co摻雜ZnS兩類樣品的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，合成出的Co摻雜ZnO具有纖鋅礦型的晶體結(jié)構(gòu)；Co摻雜ZnS樣品具有閃鋅礦和纖鋅礦按1：1比例復(fù)合的混晶結(jié)構(gòu)；在低摻雜濃度范圍內(nèi)，Co離子摻雜并沒有引起ZnO和ZnS基體晶體結(jié)構(gòu)的改變，且在儀器靈敏度范圍內(nèi)沒有檢測(cè)到第二相的存在。因此，我們認(rèn)為觀察到的鐵磁性是稀磁半導(dǎo)體材料本征性質(zhì)的體現(xiàn)，而不是源于第二相的出現(xiàn)或引入而引起的。 對(duì)稀磁

5、半導(dǎo)體中的磁性起因有各種各樣的解釋，目前尚未達(dá)成共識(shí)。本文采用DMS中磁性離子間的近程超交換作用來(lái)解釋所合成樣品的磁行為，認(rèn)為如果從稀磁半導(dǎo)體Zn<,1-x>CO<,x>O和Zn<,1-x>CO<,x>S的磁性起因來(lái)分析，增加巡游d電子的數(shù)量有利于鐵磁耦合，因此需要很高的電子摻雜濃度，但是這種鐵磁耦合是一種近程相互作用，必須在相鄰Co<'2+>離子的間距很短時(shí)才能起作用，因此需要增加CO<'2+>離子的摻雜量使CO<'2+>-CO<'2

6、+>之間的距離減小，但在一個(gè)合成過(guò)程中同時(shí)滿足上述兩個(gè)要求是很困難的，因此，鐵磁樣品的重復(fù)率普遍較低可能是由于以上兩個(gè)條件相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。迄今為止，文獻(xiàn)上報(bào)道的研究?jī)?nèi)容相對(duì)集中在過(guò)渡磁性金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體薄膜材料方面，得到的薄膜樣品不僅居里溫度低，而且呈現(xiàn)鐵磁性的重復(fù)率不高。與之相比，我們摸索出加入絡(luò)合劑的化學(xué)共沉淀法制備稀磁半導(dǎo)體粉末材料，并用此方法成功地獲得具有室溫鐵磁性的Zn<,1-x>CO<,x>O和Zn<,1-x>Co<,x