掺杂ZnO半导体磁性及其光学性质研究

发布时间：2020-10-25 23:02

　　 稀磁半导体因其在自旋电子器件上有着很高的潜在应用价值而吸引了国内外科研人员的广泛关注。ZnO在室温下同时具有铁磁性和电子的荷电特性,如何制备出室温下的稀磁半导体使其可以应用于制备自旋电子器件已经成为人们研究的热点。ZnO作为一种宽禁带半导体,有高的激发能(60meV)、稳定的化学性能和热性能,并且价格低廉、资源丰富,所以有广泛的应用前景和丰富的研究内容。近年来,对ZnO基稀磁半导体的研究方兴未艾,但是在一些重要机理研究上仍然存在很大争议。例如,ZnO基稀磁半导体的磁性起源问题、磁性和非磁性元素掺杂对磁性能的影响以及半导体缺陷在稀磁特性中扮演的角色等。本文选择非磁性和磁性元素掺杂ZnO薄膜为研究对象,重点研究了Mg、Co掺杂ZnO半导体薄膜的稀磁特性,并且结合光谱技术探讨了Mg、Co:ZnO薄膜的磁性起源。取得的主要研究内容如下：1、采用脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition, PLD)技术制备Mg、Co掺杂ZnO薄膜,选取单晶Si(100)作为薄膜衬底,在不同元素、含量和退火温度等条件下,研究了薄膜的结构、形貌、磁学性能及光学性能。实验表明,掺杂后的薄膜,根据掺杂含量不同分别具有六角形纤锌矿结构和四方相结构,进而引起了磁性上的差异。揭示出ZnO半导体结构与磁性具有很强的关联性,为研制稀磁ZnO半导体材料提供了有价值的实验结论。2、系统研究了非磁性Mg掺杂ZnO薄膜。研究结果表明,所有Mg掺杂ZnO薄膜在室温下均呈现出铁磁性。当非磁性元素含量较低时,薄膜具有六角形纤锌矿结构,XRD谱线呈现单一的ZnO(002)峰,说明样品为单晶薄膜。当Mg含量继续增加时,ZnO(002)峰逐步减弱而MgO(200)峰逐步增强,当Mg含量增加到0.25时,薄膜转化为四方相结构,并且其磁性随之增强.。同时发现,氧气氛和退火温度对磁性也产生明显的影响,氧压增加对薄膜的磁性有增大效应,而退火温度的提高会减弱薄膜的磁性。3、系统研究了磁性元素Co掺杂的ZnO薄膜。研究结果表明,与Mg元素相比,难以获得ZnCoO薄膜的单晶结构,Co掺入ZnO晶格之后,除了六角形纤锌矿结构之外,薄膜还形成混合相。薄膜磁性随着Co含量增大先减小后增大。改变ZnCoO薄膜的退火温度,发现退火温度增大薄膜磁性减弱,并且发光强度也随之减弱。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN304.21;O614.411
【部分图文】：

导体材料（包括丨丨Ｉ－Ｖ、ＩＩ－ＶＩ和ＩＶ族）的居里温度，并进行了相应的计算１８１。其??预言了可能有居里温度高于室温的Ｍｎ掺杂半导体材料，比如ＧａＮ和ＺｎＯ可能??具有室温下铁磁性，如图１－１所示这给研究者们提供了理论平台，使他们看??１??

过渡族金属氧化物中，两个不同价态的过渡族离子以氧原子为交换作??用地中间媒介进行交换相互作用该理论以被人们广泛用来解释猛氧化物的??磁性行为，如图１－２。如图所示，Ｍｎ３＋和Ｍｎ４＋间通过０２？离子为媒介进行相互作??用，形成铁磁性锅合。两个磁性离子通过电子交换作用，使稀磁半导体磁矩有序??形成宏观铁磁性，但是该理论属于一种短程的相互作用。??２、超交换作用机制??超交换作用机制又称为间接相互作用机制，是Ｋｒａｍｅｒｓ于１９３４年提出的。??该理论主要用于解释反铁磁和亚铁磁中磁性离子的交换作用。该理论认为这种交??换作用是通过非磁性离子为媒介来实现的。超交换作用和前面提到的双交换作用??表面上看起来相似，不同的是超交换作用机制中时发生在两个相同价态的原子之??间［４９］。以ＭｎＯ为例，其基态如图．１－３?（ａ）所示，当０２．的一个２ｐ电子跃迁到??：Ｍｎ２＋的３ｄ态后，系统就处于激发态如图１－３?Ｃｂ）。此时，两个Ｍｎ２＋的电子自旋??’通过激发态的？Ｏ２？产生相互的親合作用称之为超交换作用。??０２．?＇ｃｒ?Ｍ?奸??ｄｉ?ＰＦ?ｈ?ｄ｜?Ｐ?Ｆ?ｈ??（ａ）基态?（ｂ》撒发态??图１－３超交换作用示意图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒ－ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ??（２）?ＲＫＫＹ相互作用机制??ＲＫＫＹ理论最早提出于１９５４年，由Ｒｕｄｅｒｍａｎ和Ｋｉｔｔｅｌ提出，用以解释稀??土元素及其合金的磁结构

：前面所提到的理论模型都认为，稀磁半导体的磁性来源于载流子调节铁磁交??换，而束缚磁极化子模型ＢＭＰ却认为稀磁半导体中的铁磁性机制为缺陷调节的??铁磁交换。该理论是Ｃｏｅｙ等人与２００５年提出的，如图１－６所示。与ＲＹＹＫ理??论和载流子调节的双交换理论强调较高的载流子浓度不同的是，ＢＭＰ模型是针??对低载流子浓度体系的稀磁半导体。在ＢＭＰ模型中，半导体材料中很多的杂质??能级（缺陷、施主、受主能级）都可以形成独立的束缚极子。在一定范围内，这?‘??种由杂质能级形成的束缚极子可以与磁性离子之间产生交换作用从而形成束缚??磁极子，也正是这种作用使得极化子半径范围内的磁性离子自旋平行。当孤立的??＜）??
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本文编号：2856092