In2O3基纳米颗粒中的d0铁磁性研究

摘要

d0铁磁性的发现为探究磁性的产生机理开辟了新的途径。近些年来，研究组们对于如何在纯氧化物及非磁性元素掺杂的氧化物中获得d0铁磁性以及该铁磁性的产生机理问题给予了广泛的关注。 氧化铟（In2O3）作为一种具有良好的光、电及气敏特性的多功能材料，在工业上的应用十分广泛。而目前针对氧化铟中的d0铁磁性报道尚不多见，对于其中铁磁性的产生机制还存在较大的争议且调控思路尚不清晰。基于此，本文采用溶胶凝胶法制备了纯氧化铟及不同价态的非磁性元素掺杂的氧化铟纳米颗粒，系统研究了其相应的结构、元素价态、光学特性、磁学特性，并讨论了氧化铟体系中磁性作用机理及d0铁磁性可能的调控方法。具体工作如下： 一、制备了不同温度退火的纯In2O3纳米颗粒，研究了退火温度对样品铁磁性的影响。分析表明，在较低温度或过高温度退火时样品中氧空位含量较多，而中间温度退火时样品中氧空位含量较少。同时结合氩气氛再退火样品磁性进一步增强的结果，认为纯In2O3样品中的铁磁性来源于样品表面单电子占据的氧空位。 二、制备了非磁性金属元素（Li、Mg）掺杂的In2O3纳米颗粒。通过改变Li或Mg的掺杂浓度探究受主掺杂对样品磁性的影响。结果表明，适量低价非磁性金属元素掺杂能够有效增强In2O3纳米颗粒的室温铁磁性，随着掺杂量的增加，相应的饱和磁化强度呈现先增大后减小的非单调变化趋势。第一性原理的计算结果表明，碱金属元素的掺杂能够有效降低铟空位的形成能，并肯定了铟空位对样品净磁矩的贡献。认为低价非磁性金属元素掺杂的In2O3体系中的铁磁性可能来源于铟空位及阳离子替位附近氧原子的O2p轨道间的p-p耦合，且铁磁性的强弱受系统中有效空穴浓度的调节。 三、制备了Sn、Mg共掺的In2O3纳米颗粒。通过改变两种元素的掺杂量比例来研究受主和施主掺杂对样品铁磁性的影响。结果显示，在Sn、Mg掺杂量之比从5∶1减小至1∶5过程中，样品的饱和磁化强度呈现先减小后增大的非单调变化，且在Sn、Mg掺杂量之比为1:1时样品的饱和磁化强度最小。分析表明，在Sn掺杂占主导时，样品中主要的缺陷为氧空位和Sn相关的施主缺陷，此时铁磁性主要来源于氧空位，且其强弱受Sn相关施主缺陷浓度的调控；而当Mg掺杂占主导时，样品中主要的缺陷为含铟空位的缺陷复合，此时样品的铁磁性主要来源于铟空位，且其强弱依赖于有效空穴的浓度。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1稀磁半导体概述

1.1.1稀磁半导体的研究历史

1.1.2 d0铁磁性的研究现状

1.2 In2O3基磁性半导体的研究现状

1.2.1 In2O3材料简介

1.2.2 In2O3基材料中的d0铁磁性的研究现状

1.3本文的选题意义及本论文的研究内容

第2章 样品的制备与性能表征

2.1 In2O3的主要制备方法

2.1.1 溶胶-凝胶法简介

2.2 样品的主要表征方法

2.2.1 样品的物相结构分析

2.2.2 样品的微观形貌及晶体结构分析

2.2.3 样品的元素价态分析

2.2.5 样品的拉曼光谱分析

2.2.6 样品的光学特性分析

2.2.6 样品的磁学特性分析

第3章 退火温度对纯氧化铟纳米颗粒的d0铁磁性影响

3.1 In2O3纳米颗粒的制备

3.2 In2O3纳米颗粒的物理性能分析

3.2.1 In2O3纳米颗粒的形貌和晶体结构分析

3.2.2 In2O3纳米颗粒的元素价态分析

3.2.3 In2O3纳米颗粒的拉曼散射分析

3.2.4 In2O3纳米颗粒的光致发光谱分析

3.2.5 In2O3纳米颗粒的磁学特性分析

3.3 本章小结

第4章 d0元素掺杂对氧化铟纳米颗粒磁性的影响

4.1 Li-In2O3纳米颗粒的制备与物理特性分析

4.1.1 Li-In2O3纳米颗粒的制备

4.1.2 Li-In2O3纳米颗粒的晶体结构分析

4.1.3 Li-In2O3纳米颗粒的形貌分析

4.1.4 Li-In2O3纳米颗粒的元素价态分析

4.1.5 Li-In2O3纳米颗粒的光致发光光谱分析

4.1.6 Li-In2O3纳米颗粒的磁性分析

4.1.7 Li-In2O3体系的能态密度分析

4.2 Mg-In2O3纳米颗粒的制备及物理特性分析

4.2.1 Mg-In2O3纳米颗粒的制备

4.2.2 Mg-In2O3纳米颗粒的物相结构及元素分布分析

4.2.3 Mg-In2O3纳米颗粒的元素价态分析

4.2.4 Mg-In2O3纳米颗粒的光致发光光谱分析

4.2.5 Mg-In2O3纳米颗粒的磁性分析

4.3 Sn和Mg共掺的In2O3纳米颗粒的制备及物理特性分析

4.3.1 Sn和Mg共掺的In2O3纳米颗粒的制备

4.3.2 Sn和Mg共掺的In2O3纳米颗粒的物相结构

4.3.3 Sn和Mg共掺的In2O3纳米颗粒的X光电子能谱分析

4.3.4 Sn和Mg共掺的In2O3纳米颗粒的光致发光光谱分析

4.3.5 Sn和Mg共掺的In2O3纳米颗粒的磁性分析

4.4 本章总结

第5章 结 论

参考文献

硕士在读期间已发表和已完成的论文

致谢