溶胶—凝胶法制备Fe掺杂ZnO基稀磁半导体

摘要

稀磁半导体是指磁性过渡族金属离子或稀土金属离子等部分地无序替代半导体材料中的非磁性阳离子所形成的一类新的半导体材料.它能够同时利用电子的电荷和自旋这两个自由度而有望得以应用在新型的电子信息材料器件之中,因此倍受人们的关注.本文采用溶胶.凝胶手段制备Fe掺杂ZnO基稀磁半导体粉末,在大量工艺探索的基础上,结合样品的结构分析,化合状态,光学特性及磁性行为,对样品的室温磁性状态及来源进行了初步的探讨和分析. 首先,探索出具有单一纤锌矿相和室温铁磁性的Fe掺杂ZnO基稀磁半导体粉末样品的制备工艺.实验表明,抗坏血酸在样品制备过程中起着关键的作用,它能够有效地保护Fe<'2+>离子在空气环境中进入ZnO晶格完成无序取代而不被氧化,使样品保持单一的ZnO纤锌矿结构.掺杂元素Fe能够比较均匀的分布在ZnO晶格之中,与理想的无序取代趋于一致,主要以二价形式存在,并且晶胞体积随着Fe掺杂浓度的提高而增大.Fe掺杂ZnO粉末样品的激子带边发光特性较纯ZnO出现红移特性,同时强度随着掺杂浓度增大而减弱.所有掺杂粉末样品都呈现出显著的铁磁特性,并且随着Fe掺杂量的提高,粉末样品的饱和磁化强度也随之不断增大,这可能是由于样品中铁磁性在与反铁磁性的竞争中逐渐随之占据优势所引起的. 其次,分别对由n型掺杂物In和p型掺杂物Na与Fe共掺杂的ZnO粉末样品的结构、光学和磁学特性进行了实验研究.结果表明,In或Na与Fe共掺杂的掺杂ZnO基稀磁半导体粉末都保持了原有单一的纤锌矿六角结构相,并且晶胞参数也随着掺杂浓度的提高而有规律地发生变化.同时,在光学特性测量中发现,原有的由带边激子跃迁引起的带边发光峰消失.对于In掺杂样品的磁性测量发现,引入In之后样品原有的铁磁性状态转变成了逐步向顺磁状态转变的反铁磁性态;而引入掺杂物Na之后,原来样品的室温铁磁性得到了显著的提高.这些都可以从铁磁--反铁磁的竞争机制之中得到定性的合理解释.

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1稀磁半导体概述

1.1.1稀磁半导体的基本理论

1.1.2稀磁半导体中的交换相互作用

1.1.3稀磁半导体中的磁性来源

1.1.4稀磁半导体的光学、磁光与输运性质

1.1.5稀磁半导体的应用前景

1.2 ZnO基稀磁半导体概述

1.2.1 ZnO半导体的结构与基本特性

1.2.2 ZnO基稀磁半导体及其研究进展

1.3本文的选题依据，研究意义和主要工作

1.3.1选题依据

1.3.2研究意义

1.3.3主要工作

第二章 实验

2.1 Fe掺杂ZnO基稀磁半导体的制备工艺

2.1.1溶胶的制备

2.1.2凝胶的制备

2.1.3粉末的制备

2.2 In/Na与Fe共掺杂的ZnO基稀磁半导体的制备工艺

2.2.1溶胶的制备

2.2.2凝胶的制备

2.2.3粉末的制备

2.3材料的结构与性能检测分析

2.3.1材料的结构分析

2.3.2材料的成分分析

2.3.3材料的化学价态分析

2.3.4材料的光学特性分析

2.3.5材料的磁性分析

第三章 Fe掺杂ZnO基稀磁半导体的结构与性能

3.1Zn1-xFexO掺杂粉末样品的结构特征

3.1.1抗坏血酸对Zn1-xFexO粉末样品结构的影响

3.1.2掺杂浓度对Zn1-xFexO粉末样品结构的影响

3.2 Zn1-xFexO粉末样品中的成分及其比例

3.3掺杂元素Fe在Zn1-xFexO粉末样品中的化学价态

3.4 Zn1-xFexO粉末样品在室温下的光学性能

3.5 Zn1-xFexO粉末样品在室温下的磁学性能

3.6本章小结

第四章 载流子掺杂物对Fe掺杂ZnO基稀磁半导体结构与性能的影响

4.1 Zn1-xFe0.03InxO掺杂粉末样品的结构及性能研究

4.1.1 Zn1-xFe0.03InxO粉末样品的结构特征

4.1.2 Zn1-xFe0.03InxO粉末样品在室温下的光学性能

4.1.3 Zn1-xFe0.03InxO粉末样品在室温下的磁学性能

4.2 Zn1-xFe0.03NaxO掺杂粉末样品的结构及性能研究

4.2.1 Zn1-xFe0.03NaxO掺杂粉末样品的结构特征

4.1.2 Zn1-xFe0.03NaxO粉末样品在室温下的光学性能

4.2.3 Zn1-xFe0.03NaxO粉末样品在室温下的磁学性能

4.3本章小结

第五章 结论

5.1本论文的主要成果

5.2有待研究的问题

参考文献

致谢

硕士期间发表及己投稿的论文