磁性元素掺杂氧化铟锡纳米结构的制备与物性研究

摘要

稀磁氧化物能在同一材料上结合半导体性与铁磁性，具有广阔的应用前景，受到了很大的关注。在氧化物基体中，氧化铟锡（indium tin oxide:ITO）基稀磁氧化物具有高可见光透过率、优异的导电性、高过渡金属离子相溶性，被认为是最有发展潜力的稀磁氧化物主基体。关于磁性元素掺杂ITO纳米颗粒的制备，在以往报道中，研究者总是采取物理方法（比如溅射）将其掺杂入氧化物中，这些方法制备的样品往往有不同程度的磁性掺杂物析出，而样品的铁磁性也有相当一部分源于此析出杂质。在本论文中，则是利用化学热分解法直接在一般空气环境下制备高质量的磁性元素掺杂ITO纳米颗粒，并利用溶胶-凝胶法制备出相应的磁性元素掺杂ITO纳米颗粒薄膜。探索了磁性元素掺杂ITO纳米结构相应的物理特性，为日后进一步开展磁性透明电极提供了实验基础。主要研究结果如下：
　　1.利用化学热分解法制备了掺镝ITO纳米颗粒，通过X射线衍射等测定，样品中没有Dy2O3晶体被发现。掺镝TO纳米颗粒的磁矩与Dy3+的掺杂浓度有关， Dy3+掺杂浓度越高则样品中的磁矩越高。另外，在Sn4+浓度高即电子浓度高的情况下，磁化强度显著升高。这种磁性强化源于RKKY理论所预言的载流子诱导的铁磁性，说明Dy-ITO纳米颗粒中的传导电子和Dy3+中的f层电子存在着较强交换耦合作用。另外，在溶胶-凝胶法制备的薄膜上观察到了由反弱局域化效应引起的正磁致电阻变化率。Dy3+使ITO体系的产生了很强的自旋-轨道耦合。
　　2.通过化学热分解法制备的Fe-ITO纳米颗粒和Fe-ITO纳米颗粒薄膜有很好的结晶度且没有Fe氧化物的杂项。Fe-ITO纳米颗粒薄膜中的电导模式为ES型变程跳跃电导。在低温弱场条件下，Fe-ITO纳米颗粒薄膜磁致电阻曲线出现了正磁电阻阻变化率，表明了体系中的二维电子气由于自旋散射产生了反弱局域化效应，Fe的掺入使得ITO体系中引入了一个很强的s-d耦合。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 稀磁半导体

1.3 磁性纳米材料

1.4 交换作用模型

1.5 弱局域化理论

1.6 本选题的目的与意义

第2章 实验方法与内容

2.1 实验内容

2.2 样品制备

2.3 结构与性能表征

2.4 本章小结

第3章 Dy-ITO纳米结构的研究

3.1 引言

3.2 相结构与微观形貌

3.3 热稳定性

3.4 成分分析

3.5 磁学特性

3.6 本章小结

第4章 实验优化改进研究

4.1 引言

4.2 相结构与微观形貌

4.3 磁学特性

4.4 薄膜元素、相结构与微观形貌

4.5 薄膜的输运特性

4.6 本章小结

第5章 Fe-ITO纳米结构的研究

5.1 引言

5.2 相结构表面形貌

5.3 成分分析

5.4 输运特性

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

研究生期间研究成果

致谢

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