化學(xué)方法制備的稀磁半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和磁性研究.pdf

1、由于自旋相關(guān)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及其許多極具潛力的實(shí)用性，自旋電子學(xué)的研究在全世界得到了廣泛開展。其中磁性半導(dǎo)體被認(rèn)為是下一代利用電子的自旋自由度制造微電子元件的主要材料，有很好的應(yīng)用前景。 近年來很多研究小組都制備出具有室溫鐵磁性的稀磁半導(dǎo)體，但稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性起源尚有很大爭議。磁性來源的理論也主要分為兩大部分：一種是由載流子誘導(dǎo)的鐵磁交換耦合，如RKKY交換作用。另一種認(rèn)為與樣品中的缺陷有關(guān)，具有代表性的是束縛極化子(BMP)模型。

2、 在本文中，我們系統(tǒng)地研究了Co-SnO2薄膜和粉末，Tb-In2O3薄膜和Co-ZnO納米棒陣列的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、電性和磁性，得到的主要結(jié)果如下： 1.溶膠-凝膠法制備的Co-SnO2粉末和薄膜樣品 (1)在Co-SnO2粉末和薄膜樣品中，均得到了純的金紅石礦結(jié)構(gòu)。并且隨著Co摻雜量增加，樣品的晶粒尺度減小，說明Co2+的摻雜抑制了晶粒的生長。 (2)高分辨電鏡觀察顯示：樣品的晶格規(guī)則且沒有扭曲或變形

3、，其選區(qū)電子衍射(SAED)表明樣品為金紅石相的SnO2，且沒有雜相。X射線光電子譜研究表明Co元素的價(jià)態(tài)為2+。由此得出CO2+進(jìn)入了SnO2晶格中。 (3)得到了具有室溫鐵磁性的Co-SnO2粉末和薄膜樣品，核磁共振(NMR)研究表明樣品的磁性為內(nèi)稟的。在不同Co摻雜量的樣品中，每Co磁矩隨摻雜量的增加而減小。對這種現(xiàn)象的解釋是：隨著Co摻雜量的增加，Co離子之間的距離減小，Co離子之間通過氧離子發(fā)生反鐵磁超交換作用，導(dǎo)致了

4、每Co磁矩的減小。 (4)用Sn1-xCoxO2溶膠旋涂在Si(111)和Si(非晶)襯底上制備成薄膜樣品。研究表明，Si(111)襯底上的樣品結(jié)晶明顯好于Si(非晶)襯底上的，而磁性也明顯強(qiáng)于Si(非晶)襯底上的，說明磁性與結(jié)晶好壞密切相關(guān)。 (5)由于化學(xué)法鍍膜樣品的電阻很大，磁性起源不能用載流子誘導(dǎo)的交換作用模型，而需用BMP模型來解釋。為了求證BMP模型是否適用于Co-SnO2的系統(tǒng)，首先將樣品在氧化環(huán)境下進(jìn)行退

5、火，磁性消失。隨后將樣品在真空環(huán)境下進(jìn)行退火，磁性又重現(xiàn)。這個結(jié)果證明了氧空位對CoxSn1-xO2系統(tǒng)的鐵磁性有著重要的影響，證實(shí)了BMP模型適用于CoxSn1-xO2薄膜系統(tǒng)。 2.溶膠-凝膠法制備稀磁半導(dǎo)體(In1-x-yTbxSny)2O3薄膜 (1)不同摻雜量的(In0.9-xTbxSn0.1)2O3和(In0.99-yTb0.01Sny)2O3薄膜樣品均為純的立方結(jié)構(gòu)。 (2)磁性研究表明：對于不同T

6、b摻雜量的樣品，隨Tb摻雜量的增加，樣品的每Tb磁矩先增加。當(dāng)摻雜量為1％時，磁矩最大，為8.2μB/Tb。之后樣品的磁矩隨著Tb摻雜量的增加而減小。電性研究表明：隨著Tb摻雜量的增加，樣品的電導(dǎo)率先增大后減小，這個趨勢和磁矩與Tb摻雜量的關(guān)系相同，說明樣品的磁矩和它的電導(dǎo)率有關(guān)。 (3)對于不同Sn摻雜量的樣品，隨Sn摻雜量的增加，樣品的每Tb磁矩先增加后減小。樣品的電導(dǎo)率與Sn摻雜量的關(guān)系和每Tb磁矩與Sn摻雜量的關(guān)系趨勢一

7、致。由于電導(dǎo)率正比于載流子濃度，說明樣品的磁矩和載流子的濃度有關(guān)。因此，該系統(tǒng)中磁性的來源可用載流子誘導(dǎo)的交換作用(RKKY)來解釋。 3.水熱法制備稀磁半導(dǎo)體Zn1-xCoxO納米棒陣列 (1)在Si襯底上成功的制備出了ZnO和Zn1-xCoxO納米線陣列，所有的納米線都垂直于襯底。隨著反應(yīng)時間和Zn2+離子在溶液中濃度的增加，納米棒的直徑和長度隨之增大。納米棒的直徑為50～250nm，長度為100nm～3μm。