Cu摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體的制備、微觀結(jié)構(gòu)和磁特性研究.pdf

1、ZnO基稀磁半導(dǎo)體在實(shí)現(xiàn)電荷和自旋的同時操縱方面有極大的應(yīng)用價值,是制備自旋電子學(xué)器件的首選材料,如何研制出具有室溫鐵磁性的ZnO稀磁半導(dǎo)體,使其制備的自旋器件在室溫下能夠應(yīng)用,是當(dāng)前人們研究的熱點(diǎn)。盡管有許多關(guān)于其室溫鐵磁性的報道,但是這些觀察到的鐵磁性是源于摻雜離子的替位效應(yīng)還是其偏析物一二次相或團(tuán)簇,存在較大爭議。究其原因是常規(guī)分析手段(如XRD)很難探測到稀磁半導(dǎo)體中低濃度摻雜離子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息,而磁性來源和ZnO稀磁半導(dǎo)體的微

2、觀結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的。所以選擇靈敏度高的分析手段來研究ZnO稀磁半導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)是了解其磁性來源的關(guān)鍵。另外,為了避免二次相或團(tuán)簇問題,選擇非磁性元素(如Cu)作為摻雜劑,目前是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本論文選擇Cu作為摻雜劑并使用高靈敏的同步輻射X射線衍射(SR-XRD)和X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(XAFS)結(jié)合質(zhì)子激發(fā)X射線熒光技術(shù)(PIXE)、X射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜(Raman Spectrum)和交變梯度磁強(qiáng)計(jì)(AGM)等多種分

3、析手段對Zn1-xCuxO稀磁半導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行詳細(xì)研究,得到了一些有價值的研究結(jié)果。
　　1.使用經(jīng)過恢復(fù)和改造的磁控濺射鍍膜機(jī),采取射頻磁控濺射和復(fù)合靶技術(shù),在藍(lán)寶石(Al2O3)襯底上制備了一系列Zn1-xCuxO薄膜。
　　2.用PIXE測量了樣品中Cu的含量,結(jié)果表明樣品中除了Cu,沒有如Mn、Fe、Co和Ni等鐵磁性雜質(zhì)。普通XRD和SR-XRD結(jié)果均表明樣品呈現(xiàn)ZnO六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),沒有發(fā)現(xiàn)Cu團(tuán)簇和C

4、uO、Cu2O等二次相。同步輻射擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(EXAFS)結(jié)果表明Cu替位Zn進(jìn)入了ZnO晶格,但是替位使Zn1-xCuxO處于中等無序狀態(tài),這也被Raman光譜所證實(shí)。XPS譜中的Cu2+獨(dú)有的衛(wèi)星峰,表明樣品中存在+2價的替位Cu,+2價的Cu能夠提供局域磁矩。
　　3.交變梯度磁強(qiáng)計(jì)(AGM)測量結(jié)果表明Zn1-xCuxO薄膜樣品在室溫呈現(xiàn)明顯的鐵磁行為。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,認(rèn)為所觀察到的室溫鐵磁性應(yīng)該是本征的