ZnO基稀磁半導體材料的制備及性能研究.pdf

1、稀磁半導體(Diluted Magnetic semiconductors，DMSs)作為一種新型的半導體材料同時利用了電子的電荷和自旋屬性，因而兼?zhèn)浯判院桶雽w特性，具有優(yōu)異的磁、磁光、磁電等性能，在自旋電子學、光電子領域展現(xiàn)出非常廣闊的應用前景。ZnO作為一種寬帶隙半導體，激子束縛能較高(60meV)，具有溫度穩(wěn)定性好、光透過率高、化學性能穩(wěn)定，原料豐富易得、價格低廉等優(yōu)點，并且過渡金屬離子易于摻雜，可制備性能良好的稀磁半導體，因而

2、成為目前稀磁半導體材料的研究熱點。
　　 本論文以過渡元素摻雜的ZnO基稀磁半導體薄膜及納米材料作為研究對象，利用磁控濺射方法和水熱方法制備了Co、Cr、Ni摻雜的ZnO基稀磁半導體材料，研究了各種工藝參數(shù)對其結構與性能的影響，并探討了稀磁半導體材料的磁性來源，以期得到性能優(yōu)異的ZnO基稀磁半導體薄膜及納米材料，為其實際應用奠定基礎。具體研究內容及結果如下：
　　 (1)利用射頻磁控濺射法制備了Zn1-xCoxO稀磁半導

3、體薄膜，研究了工作氣壓、沉積溫度、氣體比例、退火溫度等工藝參數(shù)對Zn1-xCoxO稀磁半導體薄膜的結構、形貌及性能的影響。樣品均為六方纖鋅礦結構，且具有較好的c軸取向，Co元素是以Co2+形式進入ZnO晶格中，替代了Zn2+。Zn1-xCoxO稀磁半導體薄膜表現(xiàn)出較好的室溫鐵磁性，磁性來源于Co摻雜的ZnO所形成的Zn1-xCoxO薄膜本身，是樣品的內稟特性，氧空位的存在有利于誘導Zn1-xCoxO體系表現(xiàn)出鐵磁性。
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4、)在Co摻雜的ZnO稀磁半導體薄膜的基礎上，進一步研究了Co-N共摻雜的ZnO稀磁半導體薄膜的結構及磁性。結構分析表明樣品仍為六方纖鋅礦結構，N的加入對其沒有太大影響；磁性分析發(fā)現(xiàn)Co-N共摻雜使樣品的磁飽和強度增大，說明N元素的加入對提高磁性有利。
　　 (3)利用水熱法制備了Zn1-xCrxO納米材料，研究了反應時間、反應溫度和Cr摻雜量對Zn1-xCrxO納米材料的結構、形貌及磁性、光學性能的影響。反應溫度、反應時間和Cr

5、摻雜量都會影響Zn1-xCrxO樣品的結晶程度和形貌，140℃和13h為本實驗的最佳反應條件。Cr摻雜量增加會破壞樣品的棒狀結構。Zn1-xCrxO樣品均有較好的室溫鐵磁性。隨著Cr摻雜量的增加，飽和磁矩逐步增大，摻雜量進一步增加，磁矩反而下降。樣品的磁性來源于Zn1-xCrxO稀磁半導體本身。少量的Cr摻雜對ZnO的光致發(fā)光性能有促進作用，Cr摻雜量增加后發(fā)光強度反而降低。
　　 (4)利用水熱法制備了Zn1-xNixO納米材