过渡金属氧化物磁半导体的结构与磁性研究：Co3O4和Co掺杂ZnO

摘要

3d过渡金属氧化物磁半导体(OMS)因具有高温铁磁性而在未来的自旋电子器件中有着广泛应用前景。调控OMS中磁性离子间的相互作用及其磁性离子在基体中的分布特征对于促进其在自旋电子器件中实际应用至关重要。本论文利用同步辐射X射线吸收谱学技术(XAFS)，结合高分辨透射电镜(HRTEM)、超导量子干涉仪(SQUID)和X射线光电子能谱(XPS)等实验技术研究了还原氧化石墨烯(RGO)调控Co3O4量子点磁学性质以及共掺杂离子调控Co离子在ZnO基体中分布特征的内在机理。这些结果为人们寻找并制备出实际可用的磁性半导体提供了实验和理论基础。
　　1、石墨烯调控Co3O4量子点的磁相互作用
　　利用XAFS、XPS、HRTEM和SQUID等技术研究了RGO调控Co3O4量子点磁学性质的微观机理。SQUID测量结果表明杂化RGO后，Co3O4量子点的饱和磁化强度和矫顽力分别从0.4 emu/g增加到2.2 emu/g和从100 Oe增加到513Oe。XAFS和XPS等实验结果进一步表明RGO和Co3O4量子点之间的电子转移导致了部分Co3+(Oh)转变成Co2+(Oh)，进而将Co2+（Td）之间的磁相互作用从反铁磁转变成铁磁性。这是导致与RGO杂化后，Co3O4量子点磁学性质发生变化的根本原因。
　　2、共掺杂(Cr、Cu、Li)调控Co原子在Co掺杂的ZnO磁性半导体中的分布
　　利用XAFS和XPS等技术研究了共掺杂原子(Li、Cu、Cr)对Co原子在Co掺杂ZnO薄膜中分布形式的影响。在共掺杂前，Co原子以替代Zn原子的替代位和金属Co团簇两种形式存在。共掺杂Cr原子后，样品中的Co团簇消失，掺杂的Co原子只以替代位的形式分布在ZnO基体中。与之相反，共掺杂Cu(Li)原子后，样品中的Co团簇含量显著增加。进一步分析表明共掺杂的Cr原子与Cu(Li)对Co原子分布形式具有截然不同的调控作用是与共掺杂原子在ZnO基体中的空间占位特点密切相关。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 稀磁半导体

1．1．1 引言

1．1．2 稀磁半导体的发展历程

1．2 四氧化三钴的磁学性质研究

1．2．1 四氧化三钴的简介

1．2．2 四氧化三钴的磁学性质的研究现状

1．3 石墨烯简介

1．3．1 石墨烯的结构及性质

1．3．2 石墨烯的制备方法

1．3．3 石墨烯与纳米级氧化物半导体的复合材料

1．4 过渡金属掺杂氧化锌基稀磁半导体

1．4．1 过渡金属掺杂氧化锌基稀磁半导体的发展概况

1．4．2 脉冲激光沉积法制备的过渡金属掺杂氧化锌薄膜稀磁半导体

参考文献

第二章 实验表征方法及原理

2．1 同步辐射X射线吸收精细结构技术

2．1．1 X射线吸收精细结构技术的发展历程

2．1．2 EXAFS基本原理及数据分析

2．1．3 X射线吸收近边结构技术简介

2．1．4 X射线吸收精细结构技术的实验手段

2．2 X射线光电子能谱技术

2．3 磁性测量

参考文献

第三章 利用石墨烯调控四氧化三钴稀磁半导体的磁性

3．1 引言

3．2 实验方法及制备方案

3．2．1 样品的制备

3．2．2 表征手段

3．3 结果与讨论

3．3．1 所制备的样品的结构与形貌

3．3．2 磁性测试与分析

3．3．3 拉曼、X射线光电子能谱及X射线吸收近边谱分析

3．3．4 磁性机理解释

3．4 小结

参考文献

第四章 共掺杂(铬、铜、锂)调控钴原子在钴掺杂的氧化锌磁性半导体中的分布

4．1 引言

4．2 实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 样品的X射线衍射结果分析

4．3．2 样品的X射线吸收扩展边谱分析

4．3．3 样品的X射线吸收近边谱及X射线光电子能谱分析

4．3．4 机理解释

4．4 结果与讨论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果