Co掺杂ZnO稀磁半导体纳米材料的制备工艺、结构和磁学性能研究

摘要

巨磁电阻效应的发现使得磁电子学成为了磁学研究的热点。随着半导体器件尺寸的迅速减小，量子效应将产生影响。稀磁半导体通过在半导体中掺杂微量的磁性元素能够获得室温的铁磁性。但是磁性掺杂后的结果却千差万别，甚至自相矛盾，对于其铁磁性来源有不同的争论。本文利用水热法和微乳液法制备Co掺杂ZnO纳米材料，并对ZnO基稀磁半导体材料中的铁磁性来源等问题展开了研究。是否能在半导体中实现室温的铁磁性和如何有效的实现和控制半导体室温自旋极化的铁磁性是困扰稀磁半导体多年的问题。在本文中，我们用水热法和微乳液来制备Co掺杂ZnO纳米材料，研究ZnO中铁磁性的起源。我们的研究得到了一些有益的结论，这在未来半导体工业中具有非常广阔的应用前景。
　　我们以Zn(NO3)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O为原料，通过水热法在较低温度下制备了纯ZnO和Co摻杂的ZnO纳米棒。利用EDS、TEM、XRD和PPMS对样品进行了表征。掺杂前后的样品均具有较好的结晶度，且沿c轴生长。Co离子是以替代的形式进入ZnO晶格。纯ZnO纳米棒及Co掺杂量为2％的ZnO纳米棒平均直径约为100nm，平均长度约为200nm；Co含量大于2%的样品的平均直径约为10nm，平均长度约为50nm，Co掺杂改变了ZnO纳米棒的生长。水热法制备的一系列不同Co含量掺杂的ZnO纳米棒中，纯ZnO主要表现为抗磁性，其它掺杂样品表现为顺磁性。随着Co含量的增加，ZnO样品的铁磁性并没有增加，维持在同一个水平上，而样品的顺磁性却随着Co含量的增加而增加。研究结果表明，ZnO样品中Co的掺杂并不是导致铁磁性的原因。
　　由于ZnO中铁磁性的来源可能是Zn或者O位上的缺陷，而且不同的制备工艺能够制备出缺陷浓度不同的ZnO，从而改变其中的铁磁性，因此本文中设计了不同的工艺制备ZnO材料。我们以Zn(CH3COO)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O为原料，通过微乳液法在低温下制备了纯ZnO和Co掺杂的纳米ZnO。纯ZnO和Zn0.995Co0.005O样品主要表现为抗磁性，而其他的样品主要表现为顺磁性。当Co含量超过2%时，样品的顺磁性显著增加。当Co含量从0到1%时，铁磁性迅速增加；Co增加到2%时，铁磁性又急剧降低；Co继续增加时，铁磁性保持在同一水平。我们用微乳液法制备了2%Cu掺杂的纳米ZnO，发现Zn0.98Cu0.02O和Zn0.98Co0.02O中的铁磁性几乎一样。Cu是非磁性的，而Co是磁性的。这也说明了ZnO中掺杂的Co并不是产生铁磁性的原因。我们对微乳液法制备的ZnO、Zn0.99Co0.01O和Zn0.98Co0.02O这三个样品进行了PL光谱检测。纯ZnO中存在大量的氧缺陷。氧缺陷对应的峰在Zn0.99Co0.01O中变得更强，说明这个样品中的氧缺陷的浓度更加大。但是这个峰在Zn0.98Co0.02O样品中几乎消失，说明这个样品中氧缺陷的浓度被压制了。ZnO内的缺陷浓度与铁磁性呈现出一致的变化，说明ZnO的铁磁性是由氧缺陷引起的。
　　在本文中，我们用实验证明了ZnO基稀半导体中的铁磁性是来自于本征缺陷，而且成功地用微乳液法制备了具有变化铁磁性的ZnO纳米材料。这样，我们对于ZnO中电子自旋的控制有望成功地应用于半导体工业的生产中去。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 自旋电子学的发展

1.2 ZnO纳米材料

1.3 ZnO基稀磁半导体的研究现状

1.4 本论文研究的目的和主要内容

第二章 实验原理及方法

2.1 Co掺杂ZnO的水热法制备

2.2 Co掺杂ZnO的微乳液法制备

2.3 ZnO的性能表征方法

第三章 水热法制备Co掺杂ZnO及其铁磁性研究

3.1 水热法制备Co掺杂ZnO的实验过程

3.2 水热法制备Co掺杂ZnO的宏观形貌与颜色

3.3 水热法制备Co掺杂ZnO的成分分析

3.4 水热法制备Co掺杂ZnO的结构分析

3.5 水热法制备Co掺杂ZnO的磁性分析

3.6 本章小节

第四章 微乳液法制备Co掺杂ZnO及其铁磁性研究

4.1 微乳液法制备Co掺杂ZnO的工艺摸索

4.2 微乳液法制备Co掺杂ZnO的实验过程

4.3 微乳液法制备Co掺杂ZnO的成分分析

4.4 微乳液法制备Co掺杂ZnO的结构分析

4.5 微乳液法制备Co掺杂ZnO的磁性分析

4.6 本章小节

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果以及发表的学术论文