機(jī)械合金化制備Fe摻雜氧化物稀磁半導(dǎo)體.pdf

1、由于在自旋和微電子器件中的潛在應(yīng)用,稀磁半導(dǎo)體成為材料學(xué)研究的熱點(diǎn)。而自從在Co摻雜TiO2中發(fā)現(xiàn)了室溫鐵磁性后,過(guò)渡族金屬元素?fù)诫s氧化物稀磁半導(dǎo)體受到極大的關(guān)注。然而,一方面,由于不少稀磁半導(dǎo)體材料的居里溫度低于室溫,因而缺乏實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。另一方面,對(duì)于其磁性的來(lái)源,也仍然存在很大爭(zhēng)議。因而,目前對(duì)氧化物磁性半導(dǎo)體的研究在實(shí)際應(yīng)用和理論方面都具有極大價(jià)值。本論文采用機(jī)械合金化方法制備氧化物基稀磁半導(dǎo)體,分別對(duì)Fe摻雜TiO2,Fe摻

2、雜ZnO,和Fe、Cu共摻雜ZnO體系進(jìn)行研究。 研究結(jié)果表明球磨不僅使Fe固溶進(jìn)入TiO2,還誘發(fā)了TiO2從銳鈦礦相向Srilankite(S)相和金紅石相的轉(zhuǎn)變。通過(guò)控制球磨時(shí)間,使Fe摻雜進(jìn)入不同相結(jié)構(gòu)的TiO2。球磨后的樣品中未發(fā)現(xiàn)Fe及Fe的氧化物。隨著Fe摻雜含量的增加,樣品的直接能隙減小,對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域的吸收逐漸增強(qiáng)。通過(guò)摻雜Fe,樣品在可見(jiàn)光下對(duì)亞甲基藍(lán)的催化效率大幅度提高。所有樣品都表現(xiàn)出室溫鐵磁性,球磨3小時(shí)

3、后樣品的磁性能最大,然后隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng),飽和磁化強(qiáng)度逐漸減小。研究表明Fe摻雜金紅石相的磁性大于摻雜銳鈦礦相,而摻雜進(jìn)入S相對(duì)磁性的貢獻(xiàn)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻雜進(jìn)入其他兩相。 在不同球磨氣氛中得到的Fe摻雜TiO2粉末皆為純金紅石相。拉曼譜中,金紅石相Eg模的峰位隨球磨氣氛中氧分壓的減小而發(fā)生紅移,而Alg模的峰位保持不變。鐵離子在TiO2晶格中以高自旋的Fe2+和Fe3+存在,其中Fe3+離子的比例隨著球磨氣氛中氧分壓的增加而增加,

4、在氧氣氣氛中球磨樣品的穆斯堡爾譜中未發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)Fe2+離子的子譜。隨著球磨氣氛中氧分壓的減小,樣品對(duì)可見(jiàn)光的吸收逐漸增強(qiáng)。樣品在可見(jiàn)光下的光催化能力和磁性都隨球磨氣氛中氧分壓的減小而逐漸增強(qiáng)。 用機(jī)械合金化方法制備的Fe摻雜ZnO粉末樣品中,當(dāng)Fe的摻雜含量小于9.89 at.％時(shí),Fe原子完全固溶進(jìn)入ZnO晶格中,樣品為純纖鋅礦結(jié)構(gòu)。Fe取代了ZnO晶格中的陽(yáng)離子Zn2+,以Fe3+、Fe2+兩種不同價(jià)態(tài)的離子形式存在。樣品的磁

5、性隨Fe摻雜含量的增加而減小。當(dāng)Fe的摻雜濃度為9.89 at.％時(shí),由于樣品中未摻雜進(jìn)入ZnO的單質(zhì)Fe的貢獻(xiàn),該樣品的磁性能陡增。在空氣和氧氣氣氛中球磨的Fe摻雜ZnO樣品中,除了ZnO相還含有FeO 。將球磨后的樣品在不同氣氛中退火,測(cè)量其磁性能發(fā)現(xiàn),在真空退火樣品的磁性基本不變,在空氣中退火后樣品的磁化強(qiáng)度只有原來(lái)的一半,但是在氫氣中退火后,樣品的磁性顯著提高,并且沒(méi)有出現(xiàn)第二相。將氫氣中退火的樣品再放在空氣中進(jìn)行退火,樣品的磁

6、性能下降,表明樣品在不同氣氛中退火,其磁性能的轉(zhuǎn)變是可逆的。 用機(jī)械合金化制備了Fe、Cu共摻雜ZnO粉末。Cu的摻雜濃度小于2 at.％時(shí),樣品的磁性能隨著Cu摻雜濃度的增加而增強(qiáng)。Cu的濃度小于1.5 at.％時(shí),樣品為純六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO,未出現(xiàn)第二相,表明樣品磁性的增加是本征的。當(dāng)Cu的濃度為1.5 at.％時(shí),在X射線衍射圖譜和穆斯堡爾譜中都出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于bcc結(jié)構(gòu)的Fe峰。Cu摻雜濃度繼續(xù)增加到2 at.％時(shí),Fe