掺杂对氮化硼和氮化铟的电子结构调控引起的磁学变化

发布时间：2020-08-19 18:53

【摘要】：具有磁学性质的半导体材料在许多领域都有着十分广阔的应用前景。类石墨烯层状结构的六方氮化硼具有良好的热传导性、化学稳定性、高温耐氧化性等诸多优良特性。纤锌矿氮化铟具有优良的电子输运特性、稳定的化学和机械性能。因此本文选取六方氮化硼和纤锌矿氮化铟作为研究对象,对它们的磁学性质进行了着重研究。本文的主要研究成果如下:氧层内掺杂改变了h-BN稳定的共价键结构,从而使h-BN产生磁学和电学性质。反应时间是调控氧掺杂hBN纳米颗粒磁性大小的关键因素,当12 h时,可达到最大值0.2975 emu/g。磁性来源于B 2p轨道电子,N 2p轨道电子和O 2p轨道电子之间发生的相互耦合作用。随着温度降低,hBN薄膜电流值减小,呈现半导体导电性质。氧掺杂导致费米能级提高并穿过导带是氧掺杂h-BN纳米颗粒导电的原因。不同于氧掺杂,钠掺杂属于层间掺杂。N 2s、2p轨道电子与Na 3s轨道电子之间的耦合,导致了钠掺杂h-BN微米带呈现室温铁磁性。不同钠掺杂浓度的h-BN微米带呈现不同的饱和磁化强度。单根钠掺杂h-BN微米带电学测试结果显示,随着温度的降低电流减小,呈现半导体导电性质。原因是钠掺杂导致体系的费米能级提高,使导带底穿过了费米面,从而呈现导电性。合成出不同掺杂浓度的InN:Dy纳米片。样品的饱和磁化强度随着Dy掺杂浓度的增加呈抛物线变化,最大值为0.1455 emu/g。磁性主要来源于Dy的4f轨道。从总态密度可以看出由于Dy掺杂导致费米面穿过导带自旋向上的电子,呈现半金属铁磁性。合成出不同掺杂含量的InN:Ce纳米片。样品的饱和磁化强度随着Ce掺杂浓度的增加呈抛物线变化,最大值为0.125 emu/g。磁性主要来源于Ce的4f轨道。从总态密度可以得到,Ce掺杂导致费米面同时穿过价带自旋向上和自旋向下的电子,使InN体现出金属铁磁性。合成出了不同掺杂浓度的InN:Mn纳米颗粒。样品的饱和磁化强度随着Mn掺杂浓度的增加呈抛物线变化,最大值为0.2998 emu/g。磁性主要来源于Mn的3d轨道。从总态密度可以得到Mn掺杂导致费米面穿过导带自旋向上的电子,使InN体现出半金属铁磁性的特征。不同离子掺杂的InN纳米材料的饱和磁化强度,都随着掺杂浓度的增加呈抛物线式变化的这一现象,可以通过基于局部载流子与掺杂离子相互交换作用的束缚磁极化理论(BMP)来解释。即当掺杂浓度高于某个值时,相邻的掺杂离子之间的反铁磁性相互作用削弱了铁磁性行为,从而导致样品的饱和磁化强度值降低。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TB383.1
【图文】：

图 1.1 纳米材料的制备方法主要介绍化学气相沉积法，水热法，溶胶-凝胶法和高能球磨法和各自的优缺点。气相沉积是在一个有一定温度的衬底上，利用高温将反应物蒸而使反应物气体在高温环境下进行化学反应生成纳米材料。这的反应物在高温下反应，生成物在保护气体环境中遇冷凝固，以收集纳米尺寸的目的产物，从而达到制备各种纳米材料的过的优点是得到的纳米材料纯度高，颗粒尺寸小，颗粒均匀，而性高。此外，化学气相沉积法的设备价格低，易于操作，有着景。但是这种方法也有沉积速率低，所需衬底熔点温度高等缺

图 1.2 满壳层原子总数与表面原子的百分比关系[7]量子尺寸效应指的是当颗粒的尺寸减小到某一数值时，费米级由准连续变为离散能级，或者能隙变宽的现象。当能级间距电能或超导态的凝聚能时，就必须考虑量子尺寸效应。量子尺颗粒的光、电、磁、声、热等特性与宏观材料的相关特性有着小尺寸效应是指当纳米颗粒的尺寸减小到与光波波长、德布态的相干波长或透射深度等物理的特征尺寸相当或者更小时界将会破坏。将导致声、光、电、磁等呈现出与普通非纳米材

方氮化硼（hBN）和三方氮化硼同素异构体中，hBN 具有和石广泛关注。由于 hBN 通常为白色层中，B 与 N 原子通过 sp2的杂每层与上下层之间则是以 ABAB层之间依靠范德华力结合，相对动。hBN 和石墨烯的晶格常数和 所示。表 1.1 hBN 和石墨烯的物性参hBN .44 pm, c=665.62 pm a=144 pm sp2

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本文编号：2797455