ZnO稀磁半導體低維結構的制備和性能研究.pdf

1、兼有電荷和自旋兩種屬性的稀磁半導體因其在自旋電子器件中的巨大潛在應用而備受關注。Dietl等人理論預測了對GaN和ZnO體系進行適量的Mn摻雜，有望獲得具有室溫鐵磁性的稀磁半導體材料。迄今為止，對于過渡金屬摻雜的GaN高溫鐵磁性研究相對比較完整和成熟，理論和實驗方面的結果也比較統一。作為另一個有望實現室溫鐵磁性的材料，TM摻雜ZnO體系也備受國內外許多研究小組的關注，近年來陸續有很多關于ZnO及其摻雜體系獲得高居里溫度的報道，但對于其磁

2、性起源問題，一直沒有一個統一的認識。作為一種具有優良光電、壓電和氣敏等性質的直接帶隙半導體材料，ZnO在很多領域都有很廣泛的應用。因此，開展ZnO體系室溫鐵磁性研究，對于闡明磁性起源，制備高品質、重復性好的室溫鐵磁性稀磁半導體材料和開發以其為基礎的自旋電子器件都具有十分重要的理論和實用價值。
　　 目前，ZnO稀磁半導體的磁性通常認為可能來源于缺陷、過渡金屬摻雜元素和磁性雜質。本論文通過以下途徑開展ZnO稀磁半導體中磁學特性的研

3、究工作：
　　 1.通過摻雜條件的變化調控樣品中的金屬離子摻雜濃度，研究摻雜元素對稀磁半導體磁性的影響；
　　 2.通過不同退火條件調控樣品中的缺陷狀態，研究不同缺陷狀態下稀磁半導體磁性的變化及其依賴關系；
　　 3.通過在ZnO中摻雜不同磁學特性的離子，比較其對ZnO稀磁半導體磁性的貢獻，研究不同摻雜離子及其相關化合物團簇等雜質對磁學特性的影響，探索其與磁性起源的關聯。
　　 本論文采用水溶液化學合成方

4、法制備一系列Mn、Ni、Cu摻雜和未摻雜ZnO樣品，并對部份樣品在不同氣氛中進行退火處理。所制備ZnO微納顆粒都具有(0001)優化取向的六方纖鋅礦結構。較低摻雜濃度的樣品結構中沒有出現Mn、Ni、Cu相關雜質相，摻雜離子呈現+2價，取代Zn2+位置進入晶格結構，磁學特性測試表明，樣品都呈現出了室溫鐵磁性。
　　 ZnO樣品的光致發光譜在可見光區域明顯存在有三個發射峰：527nm、575nm和657nm，分別對應于單電離氧空位(

5、V0+)、雙電離氧空位(V0++)和氧填隙(0i)缺陷。通過室溫熒光光譜測試，我們可以看到，未退火樣品中的缺陷以雙電離氧空位(V0++)為主；在Ar和N2中退火后，Mn、Ni摻雜和未摻雜樣品中雙電離氧空位(V0++)濃度減少，單電離氧空位(V0+)濃度增大，其飽和磁化強度得到很大的提高。其中，在Ar氣氛中熱處理樣品的單電離氧空位(V0+)濃度和飽和磁化強度的增加幅度最為顯著；在02氣氛中退火后，樣品中氧空位得到一定補償，其單電離氧空位濃

6、度(V0+)和飽和磁化強度都有一定程度的降低。對于Cu摻雜ZnO體系，雖然其不同熱處理情況下缺陷狀態的變化與上述三個體系略有不同，但其飽和磁化強度與單電離氧空位(V0+)濃度的依賴關系和Mn、Ni摻雜和未摻雜體系中的是一致的。
　　 為尋求ZnO稀磁半導體中本征缺陷和摻雜元素對其磁學特性影響的理論解釋，我們采用第一性原理分別計算了Mn(1.5％)、Ni(1％)、Cu(1％)摻雜和無摻雜ZnO樣品中可能的磁性缺陷中心-不同價態的氧

7、空位V0(v00，Vo+和V0++)及其與摻雜離子形成的復合體(TM-Vo，TM-V0-TM)，鋅空位(Vzn)和氧/鋅填隙位(Oi/Zni)等的磁矩。結果表明，單個氧空位中，只有單電離氧空位(V0+)具有磁性（約1μβ）；關于氧空位V0-TM和TM-V0-TM復合體的磁性，不同摻雜離子，結果不盡相同，氧空位與Mn的復合體，所有計算結果都有相近的磁矩(約4.99μβ)，氧空位與Ni的復合體的磁矩介于1-4。氧空位與Cu的復合體中，只有v

8、0+-Cu、V0++-Cu、Cu-V0++-Cu復合體的磁矩介于1-2μβ。
　　 根據上述理論計算，結合熒光光譜、缺陷分析和磁學特性測試的結果，我們發現ZnO稀磁半導體中單電離氧空位v0+是其鐵磁性的一個最主要的來源，而且各個樣品的飽和磁矩與樣品中單電離氧空位(V)的濃度具有一定的正相關。尤其是對未摻雜ZnO體系的鐵磁性研究，更說明了單電離氧空位(V0+)是ZnO體系具有鐵磁性的一個主要因素。對于Mn、Ni、Cu摻雜ZnO稀磁

9、半導體體系，其鐵磁性是由單電離氧空位(V0+)和體系中不同價態氧空位V0與摻雜離子形成的復合體的鐵磁耦合共同引起，而單電離氧空位(V0+)在其中依然起到了一個主導作用。
　　 綜上所述，可以看到，雖然不同摻雜體系樣品的磁學特性表現出一定的差異，但有一個共同點就是，在所研究的ZnO稀磁半導體體系中，缺陷狀態(主要是V0)的變化比摻雜離子的變化對體系的磁性起到更為顯著的影響?；诶碚撚嬎?、光譜測試、缺陷分析和磁性測試結果，可以推斷出