ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料的制備及性能研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體(Diluted Magnetic semiconductors，DMSs)作為一種新型的半導(dǎo)體材料同時(shí)利用了電子的電荷和自旋屬性，因而兼?zhèn)浯判院桶雽?dǎo)體特性，具有優(yōu)異的磁、磁光、磁電等性能，在自旋電子學(xué)、光電子領(lǐng)域展現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景。ZnO作為一種寬帶隙半導(dǎo)體，激子束縛能較高(60meV)，具有溫度穩(wěn)定性好、光透過(guò)率高、化學(xué)性能穩(wěn)定，原料豐富易得、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并且過(guò)渡金屬離子易于摻雜，可制備性能良好的稀磁半導(dǎo)體，因而

2、成為目前稀磁半導(dǎo)體材料的研究熱點(diǎn)。
　　 本論文以過(guò)渡元素?fù)诫s的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及納米材料作為研究對(duì)象，利用磁控濺射方法和水熱方法制備了Co、Cr、Ni摻雜的ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料，研究了各種工藝參數(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能的影響，并探討了稀磁半導(dǎo)體材料的磁性來(lái)源，以期得到性能優(yōu)異的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及納米材料，為其實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　 (1)利用射頻磁控濺射法制備了Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)

3、體薄膜，研究了工作氣壓、沉積溫度、氣體比例、退火溫度等工藝參數(shù)對(duì)Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌及性能的影響。樣品均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且具有較好的c軸取向，Co元素是以Co2+形式進(jìn)入ZnO晶格中，替代了Zn2+。Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜表現(xiàn)出較好的室溫鐵磁性，磁性來(lái)源于Co摻雜的ZnO所形成的Zn1-xCoxO薄膜本身，是樣品的內(nèi)稟特性，氧空位的存在有利于誘導(dǎo)Zn1-xCoxO體系表現(xiàn)出鐵磁性。
　　 (2

4、)在Co摻雜的ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了Co-N共摻雜的ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)及磁性。結(jié)構(gòu)分析表明樣品仍為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，N的加入對(duì)其沒(méi)有太大影響；磁性分析發(fā)現(xiàn)Co-N共摻雜使樣品的磁飽和強(qiáng)度增大，說(shuō)明N元素的加入對(duì)提高磁性有利。
　　 (3)利用水熱法制備了Zn1-xCrxO納米材料，研究了反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和Cr摻雜量對(duì)Zn1-xCrxO納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌及磁性、光學(xué)性能的影響。反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和Cr

5、摻雜量都會(huì)影響Zn1-xCrxO樣品的結(jié)晶程度和形貌，140℃和13h為本實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)條件。Cr摻雜量增加會(huì)破壞樣品的棒狀結(jié)構(gòu)。Zn1-xCrxO樣品均有較好的室溫鐵磁性。隨著Cr摻雜量的增加，飽和磁矩逐步增大，摻雜量進(jìn)一步增加，磁矩反而下降。樣品的磁性來(lái)源于Zn1-xCrxO稀磁半導(dǎo)體本身。少量的Cr摻雜對(duì)ZnO的光致發(fā)光性能有促進(jìn)作用，Cr摻雜量增加后發(fā)光強(qiáng)度反而降低。
　　 (4)利用水熱法制備了Zn1-xNixO納米材