ZnO基稀磁半導(dǎo)體的光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì).pdf

1、稀磁半導(dǎo)體作為一種新的半導(dǎo)體材料，它將自旋和電荷兩個(gè)自由度集于同一基體，同時(shí)具備磁性材料和半導(dǎo)體材料的特性，在自旋電子學(xué)以及光電子領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景，因此吸引了人們的廣泛關(guān)注。稀磁半導(dǎo)體是一種由過渡金屬離子或稀土金屬離子部分替代非磁性半導(dǎo)體中的陽離子所形成的新的一類半導(dǎo)體材料。就應(yīng)用而言，如何制備具有較大飽和磁化強(qiáng)度和較高居里溫度的稀磁半導(dǎo)體材料，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，對(duì)于過渡金屬摻雜ZnO是否具有鐵磁性，以及鐵磁性的來

2、源和鐵磁性的產(chǎn)生機(jī)制具有很大爭議性。因此，我們有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。本文利用溶膠凝膠法制備了Ni摻雜ZnO粉末，利用磁控濺射法制備了Fe摻雜ZnO和Ni摻雜ZnO薄膜樣品，并研究了ZnO基稀磁半導(dǎo)體粉末與薄膜的性質(zhì)。 1.通過對(duì)溶膠凝膠法制備Znl-NixO粉末研究，X射線衍射結(jié)果表明所有樣品都具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，在X射線衍射精度范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)金屬團(tuán)簇或第二相。x射線光電子譜證實(shí)Ni離子處于+2價(jià)態(tài)。通過光學(xué)吸收譜發(fā)現(xiàn)隨著摻雜量增

3、加樣品的能隙減小，證實(shí)Ni2+替代Zn2+。磁性測(cè)量表明所有樣品都具有室溫鐵磁性，且隨著摻雜濃度的增加樣品的飽和磁化強(qiáng)度增強(qiáng)。光致發(fā)光測(cè)量表明樣品中存在著由缺陷引起的藍(lán)光發(fā)射。研究結(jié)果表明粉末樣品中鐵磁性是內(nèi)稟的，是由于有效摻雜和缺陷引起的。 2.在磁控濺射制備的Ni摻雜ZnO薄膜體系中我們發(fā)現(xiàn)了樣品具有室溫鐵磁性，居里溫度高于340K。隨著摻雜濃度的增加，飽和磁化強(qiáng)度先減小后增強(qiáng)。樣品中的Ni離子處于+2價(jià)態(tài)，而且沒有發(fā)現(xiàn)金屬

4、團(tuán)簇或第二相，進(jìn)而可以排除第二相或金屬團(tuán)簇對(duì)鐵磁性的影響，證實(shí)樣品中的鐵磁性是內(nèi)稟性質(zhì)。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在不同氬氧流量比下制備Zn0.97Ni0.03O薄膜仍具有室溫鐵磁性，隨著氧比例的增加樣品飽和磁化強(qiáng)度減小。光學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn)了由氧空位引起的藍(lán)光發(fā)射，而且隨著氧比例的增加藍(lán)光發(fā)射與近帶邊發(fā)射強(qiáng)度比值減小，說明了樣品中氧空位減少。相應(yīng)地，隨著氧比例增強(qiáng)樣品的電阻率增加。隨著樣品中氧空位的減少樣品的飽和磁化強(qiáng)度減弱，這表明系統(tǒng)的鐵磁性與氧空位有關(guān)

5、。 3.通過對(duì)磁控濺射制備的Fe摻雜ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)，價(jià)態(tài)和形貌的研究，發(fā)現(xiàn)Zn1-xFexO薄膜具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e離子處于+2價(jià)，沒有發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚物或第二相。磁性測(cè)量顯示樣品具有室溫鐵磁性，且居里溫度高于340K。隨著摻雜濃度的增加樣品的飽和磁化強(qiáng)度先增加后減小。原子力顯微鏡和磁力顯微鏡發(fā)現(xiàn)ZN0.88Fe120薄膜具有不同與樣品形貌的明顯磁疇，而且薄膜具有明顯的磁性各向異性。結(jié)果表明樣品的鐵磁性是內(nèi)稟的，并與缺陷有關(guān)。對(duì)Zn0