過渡元素摻雜納米鋅基半導(dǎo)體材料的合成及摻雜行為對光-磁特性影響研究.pdf

1、鋅基半導(dǎo)體（如ZnO、ZnS和ZnFe2O4等）作為半導(dǎo)體家族的重要組成部分，在光、電、磁等各方面顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)異性能，因而在光電器件、自旋電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。元素摻雜是提高材料自身物化性質(zhì)和器件性能的有效手段之一。在鋅基半導(dǎo)體的磁性研究方面:鋅基半導(dǎo)體通常不具有磁性，而摻雜過渡族金屬元素會使其產(chǎn)生微弱磁性，是典型的稀磁半導(dǎo)體。當(dāng)前有關(guān)ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的研究主要局限于將樣品沉積在平面基底上。然而，在ZnO薄膜生長

2、過程中，由于襯底和薄膜本身的晶格失配和熱膨脹系數(shù)不匹配，不可避免地會在界面處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響樣品的結(jié)構(gòu)和性能。遺憾的是，目前研究薄膜應(yīng)力與稀磁半導(dǎo)體磁學(xué)性能關(guān)系的報道很少。將ZnO稀磁半導(dǎo)體材料交替沉積在有序膠體球陣列上，可以減小ZnO和基底之間的晶格失配，而雙元素共摻雜可以提高ZnO稀磁半導(dǎo)體的載流子濃度。因此，本文利用磁控濺射法將Cu、Co共摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜沉積在不同尺寸的有序膠體球陣列基底上，研究結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、膠體球曲

3、率和ZnO稀磁半導(dǎo)體光磁性能的影響。在鋅基半導(dǎo)體的光學(xué)性能研究方面:實現(xiàn)ZnO的三基色發(fā)射是制作ZnO白光LED的必要條件，而稀土元素摻雜是引發(fā)ZnO單基色發(fā)射的有效手段，然而其發(fā)光機制尚不明確。而且，稀土元素摻雜特殊形貌ZnO的報道不多，尤其是類石墨烯狀超薄納米片結(jié)構(gòu)的報道則更少，而大比表面積引起的能帶變化會更有利于揭示稀土元素在ZnO基質(zhì)中的內(nèi)在發(fā)光機制。因此，本文制備了Eu3+和Y3+摻雜的ZnO納米結(jié)構(gòu)材料，尤其是制備出了Eu3

4、+摻雜的石墨烯狀納米薄片，并研究了Eu3+和Y3+摻雜行為對ZnO發(fā)光特性的影響。本文在上述兩個方面取得的研究結(jié)果如下:
　　為了減小ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜和基底之間的晶格失配，利用磁控濺射法分別在Si襯底以及聚苯乙烯球襯底上制備了Cu、Co共摻ZnO多層膜。所有樣品均具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且不存在雜相。在聚苯乙烯球襯底上制備得到的Cu、Co共摻ZnO多層膜具有雙軸壓應(yīng)力。光吸收光譜測試結(jié)果表明隨著襯底曲率的減小，樣品的峰位發(fā)生了藍移?？?/p>

5、見光發(fā)射都是與缺陷相關(guān)，且光譜的發(fā)光強度隨著曲率的增加而減小。Cu、Co共摻ZnO多層膜表現(xiàn)為鐵磁性，主要歸因于Cu2+的3d能級劈裂。本研究對于揭示稀磁半導(dǎo)體的磁性來源具有重要啟示性意義。不僅為自旋場效應(yīng)晶體管和自旋發(fā)光二極管等微型化半導(dǎo)體自旋電子器件的開發(fā)，而且為信息存儲、處理和顯示的集成化奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。
　　為了提高ZnO稀磁半導(dǎo)體的載流子濃度，本文利用溶膠-凝膠方法制備了Cu、Co及Cu、Al共摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體

6、納米顆粒，研究了摻雜元素濃度、燒結(jié)溫度和燒結(jié)氣氛對ZnO稀磁半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，Zn0.98Cu0.02O和Zn0.95Cu0.02Co0.03O樣品都是單一相、纖鋅礦結(jié)構(gòu)。隨著Co的摻入，紫外發(fā)射峰明顯被壓制，可見光發(fā)射峰峰強增強。Zn0.98Cu0.02O和Zn0.95Cu0.02Co0.03O樣品在室溫下均具有鐵磁性，其鐵磁性來源是由于鈷離子和銅鈷離子進入到ZnO晶格引起了缺陷的增加，隨著Co離子的摻入

7、，樣品的飽和磁化強度有所提高。隨燒結(jié)溫度的升高，可見光發(fā)射峰強度增強并且峰位發(fā)生了紅移，樣品的飽和磁化強度明顯增大。相對于空氣氣氛下燒結(jié)的樣品，氬氣氣氛燒結(jié)的Zn0.97Cu0.02Al0.01O樣品的晶化程度、氧缺陷濃度和飽和磁化強度均有所提高。該研究結(jié)果證實通過對載流子濃度和磁性離子濃度的控制，可以改善稀磁半導(dǎo)體的光學(xué)和磁學(xué)性能，該研究為促進稀磁半導(dǎo)體在自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用提供了理論和實驗依據(jù)。
　　為了在ZnO納米結(jié)構(gòu)材料中

8、實現(xiàn)單基色發(fā)射，本文通過水熱法成功合成了ZnO∶Eu3+石墨烯狀納米薄片。大的比表面積所引起的表面能帶向上彎曲使ZnO和ZnO∶Eu3+紫外發(fā)光峰紅移，且隨著Eu3+摻雜濃度的增大，613 nm處源于Eu3+的5D0-7F2躍遷的紅色發(fā)光峰強度逐漸增強。激發(fā)功率密度調(diào)制光致發(fā)光譜證實ZnO∶Eu3+石墨烯狀納米薄片內(nèi)確實存在表面能帶彎曲現(xiàn)象，且ZnO基質(zhì)以氧空位為能量儲存中心與Eu3+之間進行共振能量傳遞。盡管在ZnO∶Y3+納米顆粒中

9、未發(fā)現(xiàn)Y3+的特征發(fā)光峰，但是Y的摻雜使得ZnO中的氧空位、氧填隙等本征缺陷重新分配，深能級發(fā)射峰的最大峰強位置逐漸從539 nm移動到598 nm。該研究結(jié)果不僅為ZnO白光二極管和全色平板顯示等器件提供了后備材料，也為進一步改善稀土摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光性能提供了實驗依據(jù)。
　　鐵酸鋅(ZnFe2O4)半導(dǎo)體通常表現(xiàn)為超順磁性，為了引入鐵磁性，本文采用溶膠-凝膠法將稀土元素Eu和Nd摻入到ZnFe2O4晶格中，合成了具有鐵磁

10、性的ZnFe1-xRExO4（RE=Eu和Nd）納米顆粒。隨著Eu3+摻雜濃度的增加，ZnFe2-xEuxO4納米顆粒的矯頑力和飽和磁化強度都有所增大。隨著燒結(jié)溫度的升高，ZnFe1.97Eu0.03O4矯頑力增大。同時，因為Nd3+具有較大的自旋和軌道磁矩，ZnFe1.97Nd0.03O4納米顆粒的飽和磁化強度和矯頑力均比ZnFe1.97Eu0.03O4大。該研究結(jié)果為人們進一步調(diào)控ZnFe2O4的磁學(xué)性能提供了實驗依據(jù)。