稀土金属元素掺杂ZnO薄膜制备与磁交换机制研究
发布时间：2021-11-13 22:59
稀磁半导体（Diluted Magnetic Semiconductors,DMSs）,一般指掺入过渡金属元素或稀土金属元素而构成的一类新型半导体材料。氧化锌（ZnO）结晶态材料（薄膜、晶体等）是一种宽禁带半导体材料,具有优异的光学和电学性能,并可通过掺杂实现磁光和磁电特性。因此,ZnO基稀磁半导体材料一直是稀磁半导体研究领域的热点。在过去的十余年间,人们在过渡金属元素掺杂ZnO基稀磁半导体材料研究方面取得了重要进展,不仅获得了具有室温铁磁性的材料体系,而且对其磁性来源和铁磁耦合机理也有了深入的认识。但是,迄今为止,人们对稀土金属元素掺杂ZnO基稀磁半导体的磁性来源和铁磁耦合机理仍没有形成统一的定论,许多科学问题有待于更进一步的研究。本文从基于第一性原理计算的虚拟实验和采用等离子体增强物理气相沉积（ICP-PVD）技术制备稀土金属元素掺杂ZnO薄膜并对薄膜样品进行系统的性能检测表征为核心的实物实验两个方面开展了深入研究,取得了以下四个方面的研究成果:（1）采用第一性原理计算开展了ZnO和Er、Gd、Pm、Nd、Yb稀土金属元素掺杂ZnO结晶态材料体系化学组成、结构与其磁性能关系的虚拟实...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)上海市
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
稀磁半导体结构示意图[13]
稀土金属元素掺杂ZnO薄膜制备与磁交换机制研究4中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文图1.2DMSs材料的研究历程。Fig.1.2ResearchhistoryofDMSs.（1）20世纪60年代末至70年代，研究者在以Eu为代表的镧（La）系稀土金属的硫属化合物[16]和具有尖晶石结构的三元化合物[17,18]中发现了磁性和半导体特性共存的现象。但两类材料的铁磁居里温度都很低，而且载流子与磁性离子之间、磁性离子与磁性离子之间的相互交换机制尚未得到完整的认识。（2）20世纪80年代，荷兰的R.R.Galazka在研究磁性离子掺杂II-VI族化合物中首次提出了稀磁半导体的概念，并对这类材料的性能进行了归纳。大多数磁性过渡金属离子的化合价为+2，II-VI族化合物半导体被广泛用作为基体材料。J.K.Furdyna研究组[19]使用分子束外延技术制备了Mn掺杂ZnSe和CdTe等材料，主要研究了磁场对材料光学性质的影响，发现了一些奇特的低温磁光性质，如巨塞曼效应、巨法拉第旋转等。然而，该阶段制备的DMSs材料呈现顺磁性和反铁磁性，部分II-VI族DMSs材料虽然具有铁磁性，但铁磁转变温度很低，居里温度一般在几K至几十K范围内，在高于居里温度的温度范围内，材料的磁光性质完全消失。（3）随着半导体科学技术发展，20世纪90年代，以GaAs为代表的III-V半导体材料取得了快速发展，研究者通过掺杂寻找高居里温度的DMSs材料[20-22]。同时，薄膜制备技术[如分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）、脉
稀土金属元素掺杂ZnO薄膜制备与磁交换机制研究6中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文图1.3利用齐纳模型计算的各种p型半导体的居里温度[25]。Fig.1.3TheCurietemperatureofp-typesemiconductorscalculatedbyZenermodel[25].图1.4K.Sato等人基于局域密度近似理论的第一性原理计算了过渡金属（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）掺杂ZnO的（a）铁磁态和反铁磁态的能量差；（b）磁矩大小[26]。Fig.1.4(a)Theenergydifferenceofferromagnetismandantiferromagneticoftransitionmetals(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)dopedZnOcalculatedbyK.Satobasedonfirstprinciple.(b)TheferromagnetismuBoftransitionmetals(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)dopedZnOcalculatedbyK.Satobasedonfirstprinciple[26].1.3氧化锌材料性质ZnO是一种II-VI族化合物材料，其结晶态有三种晶型，分别为纤锌矿、盐岩矿和闪锌矿，其中纤锌矿晶型是在自然界稳定存在的形态。纤锌矿型ZnO为六方晶系，空间群为P63mc。O2-按六方密堆形式分布，Zn2+的配位数为4，填充（a）（b）
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化物稀磁半导体的研究进展[J]. 许小红,李小丽,齐世飞,江凤仙,全志勇,范九萍,马荣荣. 物理学进展. 2012(04)
[2]稀释磁性半导体[J]. 刘宜华,张连生. 物理学进展. 1994(01)
硕士论文
[1]ZnO d0铁磁性的研究[D]. 刘晓通.吉林大学 2009
本文编号：3493882
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)上海市
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
稀磁半导体结构示意图[13]
稀土金属元素掺杂ZnO薄膜制备与磁交换机制研究4中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文图1.2DMSs材料的研究历程。Fig.1.2ResearchhistoryofDMSs.（1）20世纪60年代末至70年代，研究者在以Eu为代表的镧（La）系稀土金属的硫属化合物[16]和具有尖晶石结构的三元化合物[17,18]中发现了磁性和半导体特性共存的现象。但两类材料的铁磁居里温度都很低，而且载流子与磁性离子之间、磁性离子与磁性离子之间的相互交换机制尚未得到完整的认识。（2）20世纪80年代，荷兰的R.R.Galazka在研究磁性离子掺杂II-VI族化合物中首次提出了稀磁半导体的概念，并对这类材料的性能进行了归纳。大多数磁性过渡金属离子的化合价为+2，II-VI族化合物半导体被广泛用作为基体材料。J.K.Furdyna研究组[19]使用分子束外延技术制备了Mn掺杂ZnSe和CdTe等材料，主要研究了磁场对材料光学性质的影响，发现了一些奇特的低温磁光性质，如巨塞曼效应、巨法拉第旋转等。然而，该阶段制备的DMSs材料呈现顺磁性和反铁磁性，部分II-VI族DMSs材料虽然具有铁磁性，但铁磁转变温度很低，居里温度一般在几K至几十K范围内，在高于居里温度的温度范围内，材料的磁光性质完全消失。（3）随着半导体科学技术发展，20世纪90年代，以GaAs为代表的III-V半导体材料取得了快速发展，研究者通过掺杂寻找高居里温度的DMSs材料[20-22]。同时，薄膜制备技术[如分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）、脉
稀土金属元素掺杂ZnO薄膜制备与磁交换机制研究6中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文图1.3利用齐纳模型计算的各种p型半导体的居里温度[25]。Fig.1.3TheCurietemperatureofp-typesemiconductorscalculatedbyZenermodel[25].图1.4K.Sato等人基于局域密度近似理论的第一性原理计算了过渡金属（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）掺杂ZnO的（a）铁磁态和反铁磁态的能量差；（b）磁矩大小[26]。Fig.1.4(a)Theenergydifferenceofferromagnetismandantiferromagneticoftransitionmetals(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)dopedZnOcalculatedbyK.Satobasedonfirstprinciple.(b)TheferromagnetismuBoftransitionmetals(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)dopedZnOcalculatedbyK.Satobasedonfirstprinciple[26].1.3氧化锌材料性质ZnO是一种II-VI族化合物材料，其结晶态有三种晶型，分别为纤锌矿、盐岩矿和闪锌矿，其中纤锌矿晶型是在自然界稳定存在的形态。纤锌矿型ZnO为六方晶系，空间群为P63mc。O2-按六方密堆形式分布，Zn2+的配位数为4，填充（a）（b）
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化物稀磁半导体的研究进展[J]. 许小红,李小丽,齐世飞,江凤仙,全志勇,范九萍,马荣荣. 物理学进展. 2012(04)
[2]稀释磁性半导体[J]. 刘宜华,张连生. 物理学进展. 1994(01)
硕士论文
[1]ZnO d0铁磁性的研究[D]. 刘晓通.吉林大学 2009
本文编号：3493882
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