Zn-,1-x-TE-,x-O(TE=Mn，Co，Cu)稀磁半導(dǎo)體塊材樣品制備及磁性.pdf

1、近年來，在稀磁半導(dǎo)體中，因表現(xiàn)出獨(dú)特的磁有序現(xiàn)象備受人們關(guān)注，這一方面是因?yàn)閷?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，另一方面是這些獨(dú)特的磁性蘊(yùn)涵巨大的潛在應(yīng)用前景。本文用固相反應(yīng)法制備了過渡金屬摻雜ZnO的塊材樣品，在大量工藝探索的基礎(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。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：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

2、性起因的認(rèn)識(shí)等。迄今，文獻(xiàn)上很多的研究集中在過渡磁性金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體薄膜材料方面，對(duì)其塊材研究涉及很少。在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，我們提出以過渡磁性金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體塊材樣品制備及其磁性研究作為本論文的選題和主要研究?jī)?nèi)容。首先對(duì)Mn摻雜ZnO的塊材樣品的制備工藝進(jìn)行了大量探索，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析和磁測(cè)量，我們摸索出適于獲得具有室溫鐵磁性的Mn摻雜ZnO塊材樣品的制備工藝。我們的研究結(jié)果表明，燒結(jié)氣氛和燒結(jié)溫度是兩個(gè)至關(guān)重要的因素。對(duì)名義組

3、分為Zn1-xMnxO的樣品，只有在氬氣中處理才可表現(xiàn)出室溫鐵磁性，而空氣中處理的樣品室溫下沒有鐵磁性。對(duì)氬氣中處理的樣品，通過比較樣品的燒結(jié)溫度和摻雜濃度，我們發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度和摻雜濃度較低時(shí)，室溫下具有鐵磁性，而燒結(jié)溫度和摻雜濃度較高時(shí)，室溫鐵磁性消失。磁測(cè)量也表明，所有樣品的飽和磁化值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論值，這可能是樣品中存在鐵磁和反鐵磁作用的競(jìng)爭(zhēng)所引起的。在Mn摻雜ZnO研究的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)而對(duì)Co摻雜ZnO的塊材樣品的制備工藝進(jìn)行了

4、探討，并對(duì)所制備的樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和磁性的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，室溫鐵磁性只有在低溫?zé)Y(jié)和低摻雜濃度情況下才能實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于Mn摻雜ZnO塊材樣品，在相同摻雜濃度情況下，Zn1-xCoxO的磁化強(qiáng)度要小，我們認(rèn)為這是由于Mn的未成對(duì)電子比Co多的原因。Co摻雜樣品雖然在磁性上要弱于Mn雜樣品，但結(jié)構(gòu)分析表明，Co在ZnO中的溶解度要高于Mn。在上述研究的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)而探討了兩種不同過渡金屬共摻雜的ZnO塊材樣品的制備工藝，并通過磁化測(cè)量

5、對(duì)其磁行為進(jìn)行了研究。對(duì)(Mn,Cu)共摻雜ZnO樣品，我們發(fā)現(xiàn)p－型摻雜元素Cu與Mn共摻雜ZnO，沒有增加Mn摻雜ZnO樣品的鐵磁性，反而使其鐵磁性削弱。與此形成鮮明對(duì)比的是，在Co摻雜ZnO的基礎(chǔ)上，引入額外的n－型摻雜元素Mn，有利于樣品中鐵磁有序的形成，并明顯增加了樣品的磁化強(qiáng)度。借助X-ray分析研究了所制備樣品的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，按我們的制備工藝制備出的ZnO塊材樣品具有纖鋅礦型的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)過渡金屬摻雜的樣品，在我們所選擇

6、的低摻雜濃度范圍內(nèi)，摻雜沒有引起ZnO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。在結(jié)構(gòu)分析和磁性測(cè)量的基礎(chǔ)上，并結(jié)合樣品的制備工藝，我們對(duì)過渡金屬摻雜的ZnO塊材樣品中的磁行為進(jìn)行了討論。由于X-ray沒有檢測(cè)到第二相的存在，我們認(rèn)為觀察到的磁性是一種本征性質(zhì)的體現(xiàn)，而不是源于第二相的引入而引起的。文獻(xiàn)上對(duì)稀磁半導(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)。本文基于n－型載流子調(diào)節(jié)的雙交換機(jī)制，對(duì)所制備樣品的磁行

7、為進(jìn)行了討論，認(rèn)為如果沒有額外的n－型載流子摻雜，樣品不會(huì)出現(xiàn)鐵磁有序，穩(wěn)定鐵磁態(tài)的主要機(jī)制是由載流子誘導(dǎo)的雙交換機(jī)制到目前為止，文獻(xiàn)上報(bào)道的研究集中在過渡磁性金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體薄膜材料方面，不僅獲得樣品的居里溫度低，而且制備的重復(fù)性不高。相反，我們?cè)诖罅抗に囂剿骰A(chǔ)提出的固相反應(yīng)法是一種很好的制備稀磁半導(dǎo)體的方法，并成功用此法獲得居里溫度在室溫，制備重復(fù)性高的ZnO基稀磁半導(dǎo)體。稀磁半導(dǎo)體能同時(shí)利用載流子的自旋和電荷自由度，已經(jīng)成為