ZnO基稀磁半導體的光學和磁學性質.pdf

1、稀磁半導體作為一種新的半導體材料，它將自旋和電荷兩個自由度集于同一基體，同時具備磁性材料和半導體材料的特性，在自旋電子學以及光電子領域已經展現出非常廣闊的應用前景，因此吸引了人們的廣泛關注。稀磁半導體是一種由過渡金屬離子或稀土金屬離子部分替代非磁性半導體中的陽離子所形成的新的一類半導體材料。就應用而言，如何制備具有較大飽和磁化強度和較高居里溫度的稀磁半導體材料，是實現應用的關鍵。目前，對于過渡金屬摻雜ZnO是否具有鐵磁性，以及鐵磁性的來

2、源和鐵磁性的產生機制具有很大爭議性。因此，我們有必要對其進行深入研究。本文利用溶膠凝膠法制備了Ni摻雜ZnO粉末，利用磁控濺射法制備了Fe摻雜ZnO和Ni摻雜ZnO薄膜樣品，并研究了ZnO基稀磁半導體粉末與薄膜的性質。 1.通過對溶膠凝膠法制備Znl-NixO粉末研究，X射線衍射結果表明所有樣品都具有纖鋅礦結構，在X射線衍射精度范圍內沒有發現金屬團簇或第二相。x射線光電子譜證實Ni離子處于+2價態。通過光學吸收譜發現隨著摻雜量增

3、加樣品的能隙減小，證實Ni2+替代Zn2+。磁性測量表明所有樣品都具有室溫鐵磁性，且隨著摻雜濃度的增加樣品的飽和磁化強度增強。光致發光測量表明樣品中存在著由缺陷引起的藍光發射。研究結果表明粉末樣品中鐵磁性是內稟的，是由于有效摻雜和缺陷引起的。 2.在磁控濺射制備的Ni摻雜ZnO薄膜體系中我們發現了樣品具有室溫鐵磁性，居里溫度高于340K。隨著摻雜濃度的增加，飽和磁化強度先減小后增強。樣品中的Ni離子處于+2價態，而且沒有發現金屬

4、團簇或第二相，進而可以排除第二相或金屬團簇對鐵磁性的影響，證實樣品中的鐵磁性是內稟性質。同時研究發現在不同氬氧流量比下制備Zn0.97Ni0.03O薄膜仍具有室溫鐵磁性，隨著氧比例的增加樣品飽和磁化強度減小。光學測量發現了由氧空位引起的藍光發射，而且隨著氧比例的增加藍光發射與近帶邊發射強度比值減小，說明了樣品中氧空位減少。相應地，隨著氧比例增強樣品的電阻率增加。隨著樣品中氧空位的減少樣品的飽和磁化強度減弱，這表明系統的鐵磁性與氧空位有關

5、。 3.通過對磁控濺射制備的Fe摻雜ZnO薄膜的結構，價態和形貌的研究，發現Zn1-xFexO薄膜具有纖鋅礦結構，Fe離子處于+2價，沒有發現團聚物或第二相。磁性測量顯示樣品具有室溫鐵磁性，且居里溫度高于340K。隨著摻雜濃度的增加樣品的飽和磁化強度先增加后減小。原子力顯微鏡和磁力顯微鏡發現ZN0.88Fe120薄膜具有不同與樣品形貌的明顯磁疇，而且薄膜具有明顯的磁性各向異性。結果表明樣品的鐵磁性是內稟的，并與缺陷有關。對Zn0