ZnO基稀磁半导体的X射线吸收谱学研究

摘要

本论文主要利用同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS：EXAFS和XANES)技术，并结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)和超导量子干涉仪(SQUID)等实验手段，从理论和实验两方面研究了利用脉冲激光沉积法(PLD)制备的过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的结构和性能。利用XAFS和SQUID方法详细研究了在空气中退火前后的Co掺杂ZnO基稀磁半导体的局域结构和磁学性质变化特点；利用XAFS和XPS研究共掺杂Cr原子能够调控ZnO基体中Co原子分布形式的微观机理。这些研究结果为深入了解Co掺杂ZnO体系的铁磁性来源以及制备出应力分布均匀，性能良好的ZnO基稀磁半导体提供了实验和理论基础。
　　 1.O空位在Zn0.98Co0.02O稀磁半导体薄膜中扮演的角色
　　 XAFS、XRD、SQUID研究了利用脉冲激光沉积法(PLD)在Si(001)衬底上制备出的Zn0.98Co0.02O薄膜样品在空气中退火前后的局域结构和磁学性质。尽管XRD和EXAFS结果表明退火前后Zn0.98Co0.02O的长程有序和短程有序结构几乎没有发生变化，但样品的磁学性质从退火前的铁磁性转变为退火后的順磁性。而XANES的实验和理论计算结果表明，在退火后的样品中O空位几乎完全消失了，这意味着样品中的氧空位在Co掺杂ZnO体系的磁学性质中扮演了一个重要的角色。
　　 2.Cr调控Co∶ZnO稀磁半导体中Co原子分布形式的机理研究
　　 我们探讨了共掺杂的Cr原了对Zn0.92Co0.08O样品中Co原了分布的影响。XAFS结果表明在样品Zn0.92Co0.08O中、Co原子以替代位和Co团簇两种形式存在。而在掺杂了Cr原子之后，Co团簇消失，样品中的所有Co原子都是以替代位形式存在。这表明了通过Cr掺杂能有效调控Co原子在ZnO基体中的分布形式。基于XANES和XPS的实验和理论计算结果表明，掺杂的Cr原了是以+3价的Cr离子替代了ZnO中的Zn原子，而第一性原理计算进一步表明，替代位Cr3+离子在ZnO的带隙中引入了一个施主能级。Cr3+引入的施主能级与替代位Co离子之间的电子转移，使得Co离子偏离电中性。因此，Co离子之间的库仑相互排斥作用终止了Co离子在ZnO中的自旋化分解效应，进而阻止了Co团簇的形成，使更多的Co2+离子进入ZnO的晶格形成良好的替代位结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1同步辐射光源

1.1.1 同步辐射的发展历程

1.1.2同步辐射光的特点

1.2 XAFS方法

1.2.1 XAFS的基本原理

1.2.2 XAFS技术的特点

1.2.3 XAFS产生的物理机理

1.3稀磁半导体

1.3.1稀磁半导体的概念

1.3.2稀磁半导体的磁性来源

1.3.3稀磁半导体的研究进展

1.4 ZnO 基稀磁半导体薄膜的研究意义

1.4.1 ZnO的基本性质

1.4.2 ZnO基稀磁半导体的研究进展

1.5本论文的选题依据及主要研究内容

参考文献

第二章 样品制备及实验表征方法介绍

2.1脉冲激光沉积技术(PLD)

2.1.1 PLD技术的基本原理：

2.1.2 PLD技术的特点

2.2实验表征手段

2.2.1 X射线衍射

2.2.2磁性测试仪

2.2.3光电子能谱分析

2.2.4 XAFS实验方法

参考文献

第三章 O空位在Zn0.98Co0.02O稀磁半导体薄膜中扮演的角色

3.1引言

3.2样品的制备

3.3结果与分析

3.3.1 XRD测量结果

3.3.2SQUID测量结果

3.3.3 XAFS结果与分析

3.3.4 XANES结果与分析

3.4小结

参考文献

第四章 Cr调控Co原子在Co∶ZnO稀磁半导体薄膜中的分布形式的机理研究

4.1引言

4.2样品的制备

4.3实验表征及结果分析

4.3.1 X射线衍射XRD

4.3.2 XAFS结果与分析

4.3.3 XPS结果与分析

4.4结论

参考文献

已发表论文：

致 谢