高温高压处理对ZnO基稀磁半导体材料磁电特性的影响

摘要

近几年来，具有居里温度Tc高于室温的宽禁带隙氧化物和氮化物稀磁半导体材料的出现，激起了研究者们的极大兴趣，也成为了半导体自旋电子学、材料物理和凝聚态物理等诸多领域的热点课题。稀磁半导体材料集载流子的自旋和电荷两种自由度于一体，具有磁光、磁电、磁输运等新颖特性，蕴涵着巨大的潜在应用前景，成为当前的重点课题。 固相反应法是目前制备和研究ZnO基稀磁半导体材料的主要方法之一。在大量工艺探索的基础上，用固相反应法分别成功地制备了均匀性好的Mn掺ZnO和Co掺杂ZnO的纳米颗粒。在此基础上，使用国产六面顶压机，对稀磁半导体材料进行1—6GPa高压处理。借助相关分析仪器，对样品的结构和磁性行为进行了测试分析，并对样品磁性的起因进行了初步的探讨。主要研究工作包括： 借助于XRD衍射分析仪、扫描电镜（SEM）和分析了在不同掺杂浓度和不同高压处理下，Zn1—xMnxO体系（x=0～0.06）的结构特性的变化和颗粒尺寸的大小。XRD测试图像中衍射峰显示样品室纯ZnO相结构。高压处理对样品的晶粒尺寸也产生影响。 借助于物性测试系统（PPMS）研究了Zn1—xMnxO体系样品随掺杂浓度的增加磁化强度M与所加磁场H的关系；研究了Zn0.98Mn0.02O在不同高压处理下的M—H关系。结果表明，随着掺杂浓度的增加样品的铁磁有序行为逐渐减弱，样品内部存在铁磁和反铁磁作用的竞争；同时，高压处理能够对样品的室温铁磁性产生明显的影响，在3GPa高压处理下，样品的铁磁性有明显的增强。 在结构分析和磁性测量的基础上，并结合样品的制备工艺，我们对过渡金属离子掺杂的ZnO纳米颗粒样品中的磁行为进行了讨论。由于X—ray没有检测到第二相的存在，我们认为观察到的磁性是一种本征性质的体现，而不是源于第二相的引入而引起的。并且，基于双交换理论对所制备样品的磁行为及其磁性的起因进行了探讨。 另外，研究了高温高压处理对钴掺杂氧化锌纳米材料的压敏特性的影响。实验表明，高温高压处理能够有效促进材料晶粒成长，降低压敏电压梯度，并促使添加剂在晶界处偏析，提高晶界势垒，为压敏电阻的低压化提供新的思路。不同的高温高压处理条件对样品的非线性系数也会产生一定的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1稀磁半导体的研究概述

1.1.1稀磁半导体的概念及分类

1.1.2稀磁半导体研究概况

1.2稀磁半导体的基本特性

1.2.1光吸收特性

1.2.2磁性

1.2.3巨法拉第旋转效应

1.2.4巨负磁阻效应

1.3 ZnO基稀磁半导体的研究概况

1.3.1 ZnO半导体的结构及基本特性

1.3.2 ZnO基稀磁半导体的研究进展

1.4 ZnO基压敏电阻材料的研究概述

1.5高温高压合成技术概述

1.6论文的选题依据和主要研究内容

1.6.1论文的选题依据

1.6.2主要研究内容

第2章样品的制备工艺及高温高压实验

2.1粉体材料制备工艺简介

2.1.1溶胶凝胶法

2.1.2固相反应法

2.2 Mn掺杂ZnO基稀磁半导体的样品制备

2.3高温高压实验

2.3.1六面顶压机原理简介

2.3.2压力标定

2.3.4高温高压实验的具体装配

2.3.5 Mn掺杂ZnO基稀磁半导体的高压处理

2.4本章小结

第3章 高压处理Mn掺杂ZnO基稀磁半导体的结构表征

3.1 Mn掺杂ZnO体系概述

3.2扫描电子显微分析

3.2.1仪器结构与工作原理

3.2.2样品制备

3.3高压处理后Zn1-xMnxO体系的微观形貌特征

3.4 X射线衍射分析

3.4.1物质的物相定性分析

3.4.2微晶尺寸和微观应力的测试

3.4.3样品制备

3.5高压处理后Zn0.98Mn0.02O体系的结构表征

3.6本章小结

第4章 高压处理Zn1-xMnxO体系的磁性研究

4.1稀磁半导体可能的磁性起源

4.1.1双交换作用

4.1.2 RKKY相互作用

4.1.3超交换作用

4.1.4束缚磁极化子导致的互作用

4.1.5载流子调节的双交换理论

4.2掺杂浓度及高压处理对Zn1-xMnxO样品的磁化行为的影响

4.2.1掺杂浓度对Zn1-xMnxO样品的磁化行为的影响

4.2.2高压处理对Zn1-xMnxO样品的磁化行为的影响

4.3高压处理对Zn1-xMnxO体系磁性的可能起因

4.4本章小结

第5章高温高压下Co掺杂ZnO压敏特性的研究

5.1 ZnO基压敏电阻概述

5.1.1.ZnO基压敏电阻的掺杂

5.1.2 ZnO基压敏电阻的主要电性能指标

5.2样品制备和高温高压试验

5.3高温高压下Zn1-xCoxO的压敏特性

5.4高温高压下Zn0.95Co0.05O的压敏特性

5.5本章小结

第6章结论

6.1本文的主要结论

6.2对今后工作地展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间参与的科研课题及公开发表的学术论文