过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体铁磁特性研究进展
3d过渡金属掺杂一维zno纳米材料磁,光机理研究
3d过渡金属掺杂一维zno纳米材料磁,光机
理研究
1现代材料性质的实现
现代材料，如光学气体、超导体和非线性材料等，它们的广泛应用有很多方面的价值，从而改变人们的生活和工作格局，为普通的科学家和研究人员创造了有益而巨大的机遇。
其中，一维ZnO纳米材料具有多重功能，成为近年来理论和实验研究热点，特别是磁、光特性方面。
23d过渡金属掺杂一维zno纳米材料磁光机理研究近年来，越来越多的研究证明，3d过渡金属掺杂的一维ZnO纳米材料的磁、光特性也可以提高。
主要原因是掺杂有利于改变原子结构，使材料电阻率、拉曼光谱等达到期望的数量级和质量级，极大地激活纳米材料的磁、光特性。
另外，晶体结构理论研究也证实，掺杂容易破坏Zn单元原子对称性，导致较大的电子陷阱能级被建立在掺杂载流子的图灵中间。
该能级开始激发掺杂载流子游离，从而产生磁控制及光电传输等新的功能性行为。
3研究途径
当前，专家学者们的重点研究3D过渡金属掺杂的一维ZnO纳米材料的磁光机理，从而推进材料的器件性能，以实现多功能。
针对这一问题，专家学者们利用多种理论和实验技术，开展磁、光特性机理研究，如形变、表面粗糙度和低维尺度与磁特性的探索；掺杂组分、掺杂颗粒及其形貌对磁性质影响的理论模拟；探索对称性位能点对磁性驱动及非线性光学效应的影响等。
4结论
三维过渡金属掺杂的一维ZnO纳米材料的磁光机理的研究为改进、突破材料的性能，提供了有益的研究指导。
从而实现现代材料性质的跃进，推动材料解决多功能问题，对于现代科技和社会发展具有重要意义。
Fe掺杂ZnO稀磁半导体室温铁磁性研究
2009年2月吉林师范大学学报(自然科学版)№.1第1期Journal of Jilin N ormal University (Natural Science Edition )Feb.2009收稿日期:2008211229 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60778040)第一作者简介:于 洋(19832),男,吉林省四平市人,现为吉林师范大学物理学院硕士研究生.研究方向:稀磁半导体.3通讯作者:杨景海(19602),男,教授,博士,博士生导师.Fe 掺杂ZnO 稀磁半导体室温铁磁性研究于 洋,刘惠莲,王雅新,杨景海3(吉林师范大学物理学院,吉林四平136000)摘 要:采用溶胶凝胶法制备了Zn 0.92Fe 0.08O 粉末样品,并利用X 射线衍射仪(XRD )、透射电子显微镜(TE M )对其结构进行分析,利用振动样品磁强计对样品的磁性进行测试,结果表明Zn 0.92Fe 0.08O 晶体为ZnO 纤锌矿结构,样品在室温具有铁磁性,并存在交换偏置现象.关键词:稀磁半导体;Zn 0.92Fe 0.08O ;铁磁性中图分类号:O482.5 文献标识码:A 文章编号:1674238732(2009)01200102021 引言稀磁半导体(DMS )将半导体的信息处理与磁性材料的信息存储功能两者融合在一起,具有优异的磁、磁光、磁电等特殊的物理性质,因此得到广泛关注[1,2].而要使DMS 材料在实际中得以应用就要求其居里温度必须接近或高于室温,因此具有室温铁磁性的稀磁半导体成为了人们研究的热点.Dietl 等人理论计算了各种DMS 材料的居里温度,其结果表明宽带隙半导体ZnO 可能是室温或更高的温度下实现铁磁性的材料[3].近年来有关Fe 掺杂ZnO 稀磁半导体报导逐渐增多[427],文献中有关Fe 掺杂ZnO 稀磁半导体的制备方法多种多样,得到的磁性结果也各不相同.S.W.Y oon 得到了在低温表现出反铁磁性的Fe 掺杂ZnO 半导体,Mandal 报导了制备的Zn 0.85Fe 0.15O 纳米晶为磁玻璃相.最近人们又制备出了具有室温铁磁性的Fe 掺杂ZnO 半导体,但对其铁磁性的来源却存在着不同的说法.P otzger 等人用离子注入的方法在ZnO 单晶中掺杂了Fe ,观察到室温铁磁性,并认为铁磁性可能来源于纳米颗粒或者Fe 离子的直接耦合.S.D.Y oon 等人用激光消蚀沉积法制备的掺Fe 的ZnO 薄膜样品表现出高于室温的铁磁性能,但Fe 离子不是以替代的方式进入晶格中,而是形成了短程有序的Fe 的氧化物.Y an Lin 等人用机械合金化方法制备了居里温度高于室温的Fe 掺杂ZnO 稀磁半导体,认为是Fe 离子替代了ZnO 中的Zn 离子所引发的铁磁性.因此,关于Fe 掺杂ZnO 半导体的磁性还没有得出完全一致的结论,还有待于我们进一步的研究.我们利用溶胶凝胶法制备了Fe 掺杂ZnO 样品,并对样品的结构及磁性进行了分析.2 实验以分析纯的锌、铁的硝酸盐为原料,与柠檬酸溶液混合搅拌,得到的溶液在80℃干燥得到凝胶,然后130℃形成干凝胶,再经研磨烧结得到粉末样品.本实验方法实现了原子间的化学混合,从而减少了杂相的出现.此外,实验还具有简单、重复性好的优点.合成样品的反应机制我们已在前面的文章中提到过[8].采用D/max 22500X 射线衍射仪(Cu 靶K α40kV/200mA )(XRD );透射电子显微镜(TE M )(J E M 22100HR 200keV )对样品的结构、晶面间距进行了研究;采用Lake Shore M 27407振动样品磁强计(VS M )对Zn 0.92Fe 0.08O 的磁性进行了分析.3 结果与讨论图1为ZnO 与Zn 0.92Fe 0.08O 的XRD 谱图,从图中我们可以看出在XRD 的精度范围内Zn 0.92Fe 0.08O 样品为单一的纤锌矿结构.与ZnO 的衍射峰比较各衍射峰变宽,表明Fe 掺入对ZnO 颗粒晶化有一定的抑制作用,晶体间的相互作用减弱.同时衍射峰向高角方向移动,说明晶胞参数减小,这可能是半径为0.064nm 的Fe 3+占据Zn 2+(0.074nm )位置的结果.Fe 2+的半径与Zn 2+半径大小相近,对晶胞的减小应该没有影响.・01・ 图1 Z nO 和Z n 0.97Fe 0.03O 的XR D 谱图 图2 Z n 0.97Fe 0.03O 高分辨透射电子显微图 图2为样品的高分辨透射电子显微图.从图2我们可以看出Zn 0.92Fe 0.08O 样品的晶面间距为0126nm ,这与纤锌矿结构ZnO 的(002)面是对应的,样品为单晶相,不存在晶格缺陷.从XRD 和高分辨TE M 分析结果可以认为Fe 原子替代进ZnO 晶格. 图3 Z n 0.92Fe 0.08O 室温下的M 2H 曲线,内插图为 图4 Z n 0.92Fe 0.08OM 2H 曲线的中心放大图,内插图为Z n 0.92Fe 0.08O 在1K Oe 场下的M 2T 曲线 Z n 0.92Fe 0.08O 在1.5K Oe 场下的矫顽力与温度曲线 我们采用振动样品磁强计对Zn 0.92Fe 0.08O 的室温磁性进行了测试,图3表明样品在室温下表现为铁磁性,其原子磁矩为0.065μB/Fe ,小于理论计算结果.内插图给出了在1K Oe 的外磁场下样品Zn 0.92Fe 0.08O 矩磁随温度的变化曲线,可以看出随时温度的升高,Zn 0.92Fe 0.08O 的磁矩减小,居里温度小于340K.而铁及铁的氧化物的居里温度远远高于340K,如果样品的铁磁性与铁及铁的氧化物有关的话,随铁含量的增加磁矩应增大,而实验结果相反,由此我们可以得出结论我们所研究的Zn 1-x Fe x O 的铁磁性是Fe 掺杂ZnO 的本质特性.图4为样品Zn 0.92Fe 0.08O 磁滞回线的放大图,可以看出磁滞回线出现了相对零磁场的不对称现象,内插图为样品矫顽力随温度的变化,矫顽力随温度升高而减小,这与交换偏置的特点一致,即出现了交换偏置现象.产生交换偏置现象的原因还有待于进一点探讨.4 结论我们利用溶胶凝胶法制备了Zn 0.92Fe 0.08O 样品,在我们的实验条件下,Fe 掺杂进入ZnO 晶格中.磁性测试结果显示样品具有室温铁磁性,经分析样品的室温铁磁性是不是金属铁也不是铁的氧化物引起的,而是Fe 掺杂ZnO 的本质特征.参 考 文 献[1]G eun Y oung Ahn ,et al.Ferromagnetic properties of Fe 2substituted ZnO 2based magnetic sem iconductor [J ].Journal of M agnetism and M agnetic M aterials ,2006,304:e498～e500.[2]Y an Lin ,et al.Fe 2doped ZnO magnetic sem iconductor by mechanical alloying[J ].Journal of Alloys and C om pounds ,2007,436:30～33.[3]T.Dietl ,et al.Z ener m odel description of ferromagnetism in zinc 2blende magnetic sem iconductors [J ].Science ,2000,287:1019～1022.(下转第14页)・11・这里(v1,q1)是新的未知数.根据文献[6]的处理方法,可把(10)式写成如下的形式:L(v1,q1)+Γ(v0,q0)=f其中f是W m0(T)中的元素,F是Z m0(T)到W m0(T)的贴合.可以证明,当T充分小时,F也可以达到充分小[4].与文献[6]的证明类似,运用压缩影像原理,从而证明了解的存在性定理.参 考 文 献[1]W.Len ferink.An accurate s olution procedure for fluid flow with natural convection[J].N onlinear Funct.Anal.Opt.,1996,60:1～29.[2]yton.A tw o level discretization method for the Navier2S tokes equations[J].C om put.M ath.Appl.1993,5(26):33～38.[3]P.C onstantin and C.F oias.Navier2S tokes Equations[M].University of Chicag oPress,Chicag o,London,1988.[4]T.Be.ale.The initial value problem for theNavier2S tokes equations with a free surface[J].C omm.Pure Appl.M ath.,2001,34:359～392.[5]G.Allain.Un problem de Navier2S tokes avec surface libre et tension superficial[J].Annales Facultd des Sci T oulouse VII,1985:29～56.[6]G.P.G aldi.An introduction to the mathematical theory of the Navier2S tokes equations[M].S pringer2Verlag,New Y ork,1994.[7]M.Padula.S tability properties of regular flows of heat2conducting com pressible fluids[J].J.M ath.K y oto Univ,2002,32:401～442.R esearch on the Existence of Strong Solution for a Class of I ncompressible,Viscous Fluid N2S Equation with Free BoundaryDENG Shu2xian,C AO Dian2li(1.Henan Institute of Engineering,Zhengzhou450007,China;21C ollege of In formation and M anagement Science,Henan Agricultural University,Zhengzhou450002,China)Abstract:In this paper,we studied a class of incom pressible,viscous,fluid Navier2Stokes equations with free bound2 ary.We supposed that the m otion is uniform at the direction of axis of the cylinder,s o the problem can be changed into 22D N2S equation if we consider the transversal section in the cylinder.Finally,we proued the existence of strong s olu2 tion under the initial boundary and velocity field satis fying s ome regularity and com patibility.K ey w ords:incom pressible;viscous;fluid;dirichlet condition(上接第11页)[4]修向前,张 荣,徐晓峰,等.溶胶2凝胶法制备ZnO基稀释磁性半导体薄膜[J].高技术通讯,2003,3:64～66.[5]Hua2W ei Zhang,et al.R oom2tem perature ferromagnetism in Fe2doped,Fe2and Cu2codoped ZnO diluted magnetic sem iconductor[J].M aterials Letters,2007,10:1016～1018.[6]X in T ang,K e2ao Hu.Preparation and electromagnetic wave abs orption properties of Fe2doped zinc oxide coated barium ferrite com posites[J].M aterials Sci2ence and Engineering B,2007,139:119～123.[7]K.P otzger,et al.Fe im planted ferromagnetic ZnO[J].Applied Physics Letters,2006,88:0525082123.[8]J.H.Y ang,et al.S tructure and magnetic properties of Mn2doped ZnO sem iconductors[J].S olid S tate C ommun,2007,143:566～569.Study of R oom Temperature Ferromagnetism in Fe2doped Z nODiluted Magnetic SemiconductorsYU Yang,LIU Hui2lian,WANG Yang2xin,Y ANG Jing2hai(C ollege of Physics,Jilin N ormal University,S iping136000,China)Abstract:P owder sam ples Zn0.92Fe0.08O was synthesized by s ol2gel method.The structure of the sam ple was analyzed by x2ray diffraction(XRD)and transmission electron microscope(TE M).Magnetic measurements was com pleted by Vi2 bration sam ple Magnetometer.The results indicate that Zn0.92Fe0.08O is wurtzite ZnO crystal structure which has ferro2 magnetic at room tem perature and appears exchange bias.K ey w ords:diluted magnetic semiconductors;Zn0.92Fe0.08O;ferromagnetic・41・。
ZnO基稀磁半导体的第一性原理研究进展
轨道价 电子和部分填满的ｄ 轨 道 ，因 而 通 常 情 况 下 比较 容 易 通过过渡金属元素替位掺杂Ｚ ｎ Ｏ来 获 得磁 性 。 ２ ０ ０ ０ 年， Ｄ ｉ ｅ ｔ ｌ ［
率先通过理论计算预 测到Ｍｎ 掺杂Ｚ ｎ Ｏ和Ｇ ａ Ｎ在Ｐ 型环境下可 获得居里温度（ Ｔ ） 高于室温 的磁性 ， 但在ｎ 型环境下是反铁磁 的。 Ｄｉ ｅ ｔ ｌ 等 人 的研 究 结 果 还 表 明在 含 较 轻 元 素 阴离 子 的 半 导 体 中ｐ ． ｄ 杂化作用较 强、 自旋一 轨道耦 合较弱 ，因而致 使阴 离子为较轻 的元素 的半 导体掺杂Ｍｎ 元 素后有着较 高居 里温
１ 引 言
随着社会发展人类 已经进 入了信息时代，为实现更高 的 信息处理速度 ，更快 的传输速度 ，人们 需要不断开发性能更
加 优 异 的功 能器 件 ， 然 而 传 统 的 半 导体 器件 制 作 和 研 发 工 艺 虽 然 已 经很 成 熟 ，但 它们 只 是 利 用 了 电子 的 自旋 属 性 ，如 果
２ Ｚ ｎ ０基 稀磁 半导 体 的研 究现 状
分 析 稀 磁 半 导 体 内部 磁 性 产 生 机 制 、 寻 求 具 有 高 居 里 温
度的稀磁半导体是稀磁半导体研究 中的两个关键科学议题 ， 因此 ，近些年来Ｚ ｎ Ｏ 基稀磁半 导体 的研 究工作也主要 围绕这
两 个 问题 展 开 。
为 稀 磁 半 导 体 研 究 中备 受 关 注 的研 究 体 系 。
们 发现Ｎ掺 杂Ｚ ｎ Ｏ的磁性 归因于 体系 中存在类似ｐ ． ｄ Ｘ ２交换
作 用 的Ｐ ． Ｐ 耦 合 作 用 带 来 的 长 程 铁 磁 交 换 作 用 。此 外 ， Ｓ ｈ ｅ ｎ 等 人还对 非金属轻 元素 掺杂Ｚ ｎ Ｏ基 稀 磁 半 导 体 的 磁 性 进 行
ZnO基稀磁半导体材料的研究进展
ZnＯ基稀磁半导体材料的研究进展集半导电性和磁性于一体的磁性半导体,可以同时利用电子的电荷和自旋,兼备常规半导体电子学和磁电子学的优越性,被认为是2l世纪最重要的电子学材料．在自旋电子领域展现出非常广阔的应用前景，引起了人们对其研究的浓厚兴趣.在非磁半导体材料中掺杂磁性元素，将有可能使其变成磁性的.因而，从材料的磁性角度出发，半导体材料可以划分为非磁半导体(nｏnmaｇnｅtic sｅmicondｕctor)、稀磁半导体(dilutｅd magneｔｉc ｓemicｏndｕctor)和磁半导体(magｎeｔic semｉｃoｎducｔor)三种类型(图１)．稀磁半导体在没有外场作用时与非磁半导体具有相同的性质；反之,则具有一定的磁性．ＤMS的禁带宽度和晶格常数随掺杂的磁性材料离子浓度和种类不同而变化,通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件.氧化物DMＳ掺杂元素主要有过渡族元素（TＭ)、Sc、Ti、Ｖ、Cr、Mn、Ｆe、Co、Ｎi、Cu等以及稀土元素(ＲＥ)等,过渡族元素和稀土元素具有很强的局域自旋磁矩，这些元素掺入到半导体材料中,替代半导体材料部分阳离子的位置形成稀磁半导体.在外加电场或者磁场的影响下,材料中的载流子行为发生改变,从而产生了一般半导体材料所没有的一些新物理现象.如巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应、大的激子分裂、超晶格量子阱以及磁致绝缘体－-金属转变等．可以开发全新的、更微型化的半导体自旋电子器件，如自旋场效应晶体管(Ｓpiｎ—FＥT）、自旋发光二极管(Ｓpin—LＥD),同时还可以将目前分立的信息存储、处理、显示集成为一体,对微电子器件产生革命性的影响．１ DMS发展概述ＤMS的研究可以上溯到上个世纪６0年代，当时所研究的磁性半导体材料大多是天然的矿石,如硫族铕化物在半导体尖晶石中可以产生周期性的磁元素阵列．但这类磁半导体的晶体结构和Si、ＧaAs等半导体材料有极大的不同.其晶体生长极为困难，很小的晶体通常要花费数周的准备和实施时间．同时，居里温度Tc在１00K以下,导电性能接近绝缘体.经过几十年的研究,由于ＤMS的居里温度Tｃ远低于室温以及较低的饱和磁化强度，DMS没有能够得到广泛的应用．进入２0世纪80年代,人们开始关注稀磁半导体.即用少量磁性元素与II—V Ｉ族非磁性半导体形成的合金。
过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体铁磁特性研究进展
过 渡 金 属 掺 杂 Ｚ Ｏ 稀 磁 半 导体 铁磁 特 性 研 究 进展 ｎ
王爱华 张丽伟 ， ， 张兵 临 姚 宁 ，
（． Ｉ 郑州大学材料物理 教育部重点实验室 ， 郑州 ４０ ５ ，． 乡学院 ， ５０ ２ ２ 来自 新乡 ４ ００ ） ５ ０ ３
摘 要 ：ｎ Ｚ Ｏ基稀磁半 导体 是 目前研 究的热门课题 ， 于 ３ 关 ｄ过渡金属掺杂 （ｒｎｉｏ － ｅａ ｄｐｄ Ｚ Ｏ的室温铁 磁性 ｔ ｓｉ ｍ ｔ ・ｏｅ ） ｎ ａ ｔｎ ｌ 有很 多报道。本文对不 同方法和不同条件制备的过渡金属掺杂 的 Ｚ Ｏ基 稀磁半 导体 的磁性 和相应 机理进 行 了综 ｎ
ｆ ｒｏ ｇ ｅｉｍ ｆ３ ｒ ｎ ｉ ｏ — ｔｌｄ ｐ ｄ Ｚ Ｏ． Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｈ ｇ ｅｉ ｒ ｐ ｒ ｅ ｎ ｏ ｓｂ ｅ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｔ ｓ ｏ ｄ ｔａ ｓｔ ｎ ｍｅ ａ — ｏ ｅ ｎ ｉ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｔ ｅ ｍａ ｔ ｐ ｏ ｅ ｉ ｓ ａ ｄ ｐ ｓ ｉ ｌ ｎ ｃ ｔ
述。 ．
关键词 ： 自旋 电子学 ； 稀磁半导体 ；ｎ 过渡金属掺杂 ； Ｚ Ｏ； 室温铁磁性
中 图 分 类 号 ：Ｎ ０ Ｔ ３４ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：００ ５ ２ ０ ） １ １４１ １０ ￣８ Ｘ（０ ８ ０ － １ － ０ ０
Ｒｅ ｅ ｏ ｒ ｓ ｎ Ｄｅ ｅ ｏ ｎ ｒ ｏ ａ ｎｅ ｉ ｏ ｅ ｔｅ ｆ ｃ ｎｔＰｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｖ ｌ ｐｉ ｇ Ｆｅ ｒ ｍ ｇ ｔｃ Ｐｒ ｐ ｒ ｉ ｓ ｏ
Ｔｒ ｎ ｉｉｎ ｍｅ ａ － ｏ ｅ ０ ｌ ｔｄ Ｍ ａ ｅｉ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ａ ｓｔ － ｔ ｌｄ ｐ ｄ Ｚｎ Ｄｉ ｅ ｇ ｔ Ｓ ｍｉｏ ｄ ｃ ｏ ｓ ｏ ｕ ｎ ｃ
水热法掺杂过渡族金属磁性磁选硕士论文
多元金属离子共掺杂对氧化锌晶体磁性的影响【摘要】本文采用水热法对ZnO晶体进行了过渡族金属掺杂。
在Zn(OH)2前驱物中加入一定量的金属盐类,在较高的矿化剂条件下,恒温430℃,反应24小时,合成了金属离子共掺杂的ZnO晶体。
Mn掺杂ZnO晶体呈六棱柱状,为完整的ZnO的晶体形貌。
采用SQUID进行磁性测量,发现Mn单掺杂和Mn与其他金属离子共掺杂的ZnO晶体具有反铁磁性。
利用X光能谱测量了晶体中掺杂金属离子的含量,发现测得的Mn含量随掺杂浓度的增加而增大。
Co、Fe掺杂ZnO晶体呈明显的六棱柱状。
前驱物添加Sn,In,Ca等金属氯化物后,ZnO晶体的极性生长速度减慢,合成的晶体大面积显露正负极面,呈六角片状。
磁性测量发现,Co掺杂ZnO晶体具有顺磁和微弱的铁磁性。
Fe掺杂及共掺杂Cu、Sn、In的ZnO晶体体系出现奇异的磁性曲线,主要表现弱的铁磁性,共掺杂金属元素Cu对磁性影响较大,使磁性随温度下降趋势减缓。
分别对Co和Fe掺杂的ZnO晶体进行了磁选分离,样品被分为无磁样品,弱磁样品和强磁样品,分离后各样品的颜色和形貌有一定的差异。
经过XRD分析,Co掺杂ZnO晶体强磁性样品的磁性来源于Co 单质；Fe掺杂ZnO晶体强磁性样品的磁性... 更多还原【Abstract】 In this paper, the transition metals doped ZnOCrystals were synthesized by hydrothermal method.Themetal-salts were mixed into precursor materials (Zn (OH)2) with higher mineralizer concentration. Keep constant temperature at 430℃for 24h,then the mental ion doped ZnO Crystals werefabricated.The results show that the Mn-doped ZnO crystals appear hexangular prisms and the appearance is the standard shape of undoped ZnO Crystals.The Mn-doped or Mn and other ions co-doped ZnO Crystals are antiferr... 更多还原【关键词】水热法；掺杂；过渡族金属；磁性；磁选；【Key words】Hydrothermal method；doping；transition metals；magnetism；magnetic separation；摘要5-6Abstract 6第1章稀磁半导体9-151.1 引言91.2 磁性材料分类9-101.3 稀磁半导体的定义10-111.4 稀磁半导体的性质11-121.4.1 光吸收特性111.4.2 巨法拉第旋转111.4.3 巨负磁阻效应11-121.4.4 绝缘体-金属转变121.4.5 霍尔效应121.4.6 巨塞曼效应121.5 稀磁半导体的应用12-15第2章稀磁半导体的研究进展15-192.1 稀磁半导体的研究历史152.2 ZnO稀磁半导体的研究进展15-19第3章实验方法19-223.1 水热法193.2 水热法制备工艺的特点19-203.3 实验设备203.4 材料性能表征20-22第4章Mn掺杂的ZnO晶体22-264.1 实验224.2 Mn掺杂的ZnO晶体22-264.2.1 晶体形貌22-244.2.2 掺杂晶体中的Mn磁性和含量24-254.2.3 小结25-26第5章Co掺杂和Fe掺杂的ZnO晶体26-365.1 Co掺杂的ZnO晶体26-305.1.1 晶体形貌26-275.1.2 掺杂晶体中的Co的磁性和含量27-295.1.3 小结29-305.2 Fe掺杂的ZnO晶体30-365.2.1 晶体形貌30-315.2.2 晶体的磁性和含量31-355.2.3 小结35-36第6章合成样品的杂质相分析及磁性36-446.1 水热法合成Zn_(1-x)Co_xO晶体中磁性杂质分析36-396.1.1 水热合成产物中强磁性成分分析38-396.2 Fe掺杂晶体的磁选分离39-426.2.1 分离出样品的形貌39-426.2.2 水热合成产物中强磁性成分分析426.3 过渡族金属离子掺杂ZnO存在的问题和展望42-44第7章结论44-45参考文献【索购全文】Q联系Q：138113721 1030850491全文提供服务费：25元RMB 即付即发支付宝账号：xinhua59168@【说明】1、本站为中国学术文献总库合作代理商，作者如对著作权益有异议请与总库或学校联系；2、为方便读者学习和引用，我们可将图片格式成WORD文档，费用加倍。
ZnO基稀磁半导体材料研究进展
ｔ ｅｃ ｒ ｅ ｔ ｄ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔ ｏ （ － ａ ｅ ｉ ｔ ｄ ｍ ａ ｎ ｔ ｅ ｉ ｎ ｕ ｔ ｒ ｓ ｓ ｍｍ ｅ ｉｅ ， ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｒ ｗｔ ｈ ｕ ｒ ｎ ｅ ｅｏ ｍ ｎ ｆ Ｚｎ： ｂ ｓ ｄ ｄ ｌ ｅ ｇ ｅ ｉ ｓ ｍ ｃ ｄ ｃｏ ｓ ｉ ｕ ） ｕ ｃ ｏ ｒｚ ｄ ｎ ｈ ｎ ｌ ｅ ｃ ｆ ｇ ｏ ｈ
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材料 导报
２０ 年 １ ０７ ２月第 ２ １卷 第 １ ２期
Ｚ Ｏ基 稀磁 半 导体 材 料研 究 进展 ｎ
周 勋 ～， 益斌 段 满益 。徐 沈 ～， ， 明 令 狐 荣锋 ～，
（ 贵州大学 电信学 院 ， １ 贵阳 ５ ０ ２ ； 贵州师 范大学理学 院， ５０ ５ ２ 贵阳 ５０ ０ ； ５ ０ １ ３ 四川师范大学物理与电子工程学院 ＆ 固体 物理研究所 ，成都 ６ ０ ６ ） １０ ８ 摘要 随着铁磁性 半导体 （ Ｍｎ掺杂 ＩＡｓ Ｇａ ） 如 ｎ 和 Ａｓ的发现 ， 磁半导体 （ ＭＳ 近 来吸 引 了众 多研 究者 的 目 稀 Ｄ ） 光 。传统半导体不具有磁性 ， 而稀磁半导体可以在不改变传统半导体其 它性 质的情 况下引入磁性 ， 具有 良好 的物理化 学性能 。从 实验 和理 论计 算两个方面总结了 Ｚ Ｏ基 Ｄ ｎ ＭＳ的国 内外研究现状 ， 讨论 了各种 生长方 法、 基底选择 、 生长 温度对材料磁性的影响， 总结 了如何通过改变实验条件来增大饱 和磁化 强度及提 高 Ｃ ｒ 温度。 ｕｉ ｅ
Zn基稀磁半导体磁性及输运性质的研究
Zn基稀磁半导体磁性及输运性质的研究稀磁半导体兼有磁性和半导体材料的性质,可以同时实现对电子电荷和自旋的调控。
作为最有潜在应用价值的自旋电子学材料,稀磁半导体备受研究者的关注。
本世纪初,Dietl等人从理论上预测了过渡金属掺杂ZnO和GaN宽带隙半导体材料的居里温度要高于室温。
该预测重新燃起了人们对过渡金属掺杂ZnO、ZnS 稀磁半导体的研究热情。
稀磁半导体的磁性容易受合成方法及条件的影响,有些表现铁磁性,有些是反铁磁性,有的甚至是自旋玻璃态或顺磁性。
此外,稀磁半导体的磁性来源一直存在争论。
进一步阐明稀磁半导体的铁磁性机理,获得稳定的室温铁磁性是我们关注的热点。
本文主要研究了Co掺杂ZnO,ZnS纳米材料的磁性及其他性质。
具体内容如下:（1）我们通过化学共沉淀法成功制备了晶粒尺寸在4纳米左右的闪锌矿结构的Zn<sub>0.97</sub>Co<sub>0.03</sub>S超细纳米颗粒。
氢气退火处理2 h后,Zn<sub>0.97</sub>Co<sub>0.03</sub>S的晶体结构从闪锌矿结构转变为纤锌矿结构,而且在室温下可以观察到明显的磁滞回线。
结合第一性原理与相关测试,我们认为Zn<sub>0.97</sub>Co<sub>0.03</sub>S的铁磁性来源于以间隙H为媒介的Co离子之间的铁磁耦合。
（2）为了阐明铁磁性的来源并且获得具有铁磁性的催化剂,我们对Zn<sub>0.98</sub>Co<sub>0.02</sub>O纳米颗粒进行了不同氛围的退火处理（真空,氢气,先真空后氢气）。
制备态及真空退火处理的Zn<sub>0.98</sub>Co<sub>0.02</sub>O是顺磁性的,而氢气退火处理的Zn<sub>0.98</sub>Co<sub>0.02</sub>O则具有室温铁磁性。
过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体分析技术的研究现状
（ ｏ ｌｇ ｆ ｙ ｉｓ ａ ｄ Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｔａｚ ｏ ｉ ｅ ｓ ｔ ，Ｔａ ｚ ｏ １ ０ ０ Ｃ ｌ ｅｏ ｅ Ｐｈ ｓｃ ｎ ｅ ｔｏ ｉｓ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｎ ｉｈ ｕ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｉ ｕ３ ８０ ） ｈ
ＺＯＤ ｓ ｎ ＭＳ 铁磁本 征性 的检测标 准 。
储 器 以及 量子计算 机等 领域具 有广 阔 的应用 前 景 ， 因此 成 为 研究 的热 点 ］ ３ 。研究 Ｄ ｓ 料的 目标 是提 高居 里 温度 和 “ ＭＳ 材 阻止磁性 第二相 的析 出。 （ ａ Ｍｎ Ａｓ ＭＳ 被认 为 是最 有 Ｇ ， ） Ｄ ｓ 希望在 自旋 电 子器 件 得 到 应 用 的 ， 报 道 其 居 里 温 度 仅 为 据 １ ３ ， 固溶度 不高［ ， 以有必 要寻 找新 的半导体 材料 。 ７ Ｋ［ 且 ６所 ３ Ｚ Ｏ是 直接宽 带 隙半 导体 ， 子束 缚 能 高 ， 渡 金 属 原 ｎ 激 过 子在其 中的溶解 度高［ ， Ｍ 离子 常显 ＋２ ， ７Ｔ ］ 价 替代 Ｚ 不 改
相关 。从 已有 的 文献 报 道看 ， 征铁 磁 性 ＴＭ 掺 杂 Ｚ Ｏ 的 本 ｎ
检证 方法 不 同， 有 一 致 的 标 准 ， 以有 必 要 对 Ｔ 掺 杂 没 所 Ｍ Ｚ Ｏ 的检测技 术进行 分析 总结 。 ｎ
本文综 述 了 Ｔ 掺 杂 Ｚ Ｏ Ｍ ｎ ＤＭＳ 本 征 铁磁 性 检 证 常用 ｓ 的检 测技术 与手段 ， 重点 分析 了元素 特征 分析技 术 在 ＴＭ 掺 杂 ＺＯＤ ｓ ｎ ＭＳ 铁磁 本 征 性 检 证 中的应 用 ， 讨 了 ＴＭ 掺 杂 探
Ａｂ ｔａｅ ｓｒｔ
Ｆ ｒｏ ｇ ｅｉ ｎ ｂ ｓｄ ｄｌ ｔｄ ｍａ ｎ ｔ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔｒ （ ｅ ｒｍａ ｎ ｔｃＺ Ｏ－ ａｅ ｉ ｅ ｇ ｅｉ ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｓ ＤＭ Ｓ ） ｂ ｒ ｎ ｉｏ ｔｌ ｏ ｉｇ ｈ ｓ ｕ ｃ ｓ ｙ ｔａ ｓｔ ｎ ｍｅａ— ｐｎ ａ ｉ ｄ
Co掺杂ZnO基稀磁半导体材料磁性研究进展
子 效 应 的相 关性 ， 推 测 这种 磁 学行 为与 载 流子 的作用
２ ０ ０ ６ 年， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ 等 利用 脉冲激光 沉积法 在 Ｓ ｉ （ ０ ０ １ ）
衬底 上 沉积 室 温 铁磁 Ｚ ｎ Ｏ： Ｃ ｏ 薄 膜 。饱 和 磁 化强 度 为 １ ． ０ ４ Ｉ ｘ Ｂ ／ Ｃ ｏ， 矫顽 力 为２ ５ ０ ｅ 。结果 显示 没有 形成钻 纳
２ ０ ０ ８ 年， Ｙ ａ ｎ ｇ 等【 ８ ＿ 利 用等离子辅助分子束外延方 法在 Ｒ 一 切 割蓝 宝石 衬底 上沉 积ｃ ｏ 掺杂 Ｚ ｎ Ｏ 薄膜 。透 射
电镜 和 ｘ 一 射 线衍 射结 果 显示 Ｚ ｎ Ｏ： Ｃ ｏ薄膜 内没 有二 次
相 的 出现 。当载流 子浓度 超过 １ ０ 。 ｃ ｍ－ 。 ， 磁 性 随着载 流 子浓 度增 加而增 强 ， 暗示 载流 子调制 磁性 的机制 。
Ｃ ｏ掺 杂 Ｚ ｎ Ｏ 基稀 磁 半 导体 材 料 磁 性研 究进 展
李 彤 ，介 琼 ，张 宇 ，王雅欣 ，倪 晓 昌
３ ０ ０ ２ ２ ２ ）
（ 天津职业技术师范大学 电子工程学 院，天津
摘
要： Ｚ ｎ Ｏ基 稀磁 半导体是 目前研 究的热 门课题 ， 其 中关于 ｃ ｏ 掺杂Ｚ ｎ Ｏ的磁性研 究有很 多报 道。本文对不 同方
２ ０ ０ ８ 年， 吴 文清 等 ㈣利 用 脉 冲 激光 气 相 沉 积法 制 备 了具 有 室 温铁 磁性 的ｚ ｎ Ｃ ｏ Ｏ（ ＝０ ． ０ １ ， ０ ． ０ ２ ） 。结 果表明： ｃ ｏ 离 子全 部 进入 Ｚ ｎ Ｏ晶格 中替 代 了部 分ｚ ｎ 的
过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的研究进展
岩
长春 １０ ２ ） ３０ ２
摘
要： 简要 介 绍 了 Ｚ Ｏ基 稀 磁 半 导 体 （ ＭＳ） 料 的 最 新 研 究进 展 ， 出 了该 领 域 的研 究 热 点 和 存 在 的 问题 ， ｎ Ｄ ｓ材 指 提
出 了可 能 的 解决 方案 ， 并在 此 基 础 上 对 Ｄ ｓ 潜 在 应 用 前 景进 行 了论述 。 ＭＳ 的 关 键 词 ：ｎ 稀 磁 半 导 体 ； Ｚ Ｏ； 过渡 金 属 ； 性 磁 中 图分 类 号 ： ４４ ０ ７ 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章编 号 ：０９—３０ （０ ０ ０ ０ ２ ０ １０ ９７ ２ １ ）８— ０ ７— ４
导体 的研究 发现 ， Ｍ ｓ 料具有 着优 良的磁 学 、 光学 以及 磁 电学 等性 能 ， 使 得它 在磁 感 应器 、 密度 存 Ｄ Ｓ材 磁 这 高 储器 、 半导体 激光器 、 导体集 成 电路 和 自旋量子 计算 机等方 面具 有广泛 而重要 的应 用前 景 【 。 自从进 人 半 ４ Ｊ ２ １世纪 以来 ， 信息 的汲取 量逐 渐成 为主宰人 类社 会发 展 的主要 动力 ， 们对 信息 处 理速 度 、 人 信息 传输 速度 和 信息存 储量 的需求 日益 增大 。进而 在信 息处理 和信息 传输 方面 以半导体 材料 （ ｓ和 Ｇ 如 ｉ ｅ等 ） 核心 的大规 为
长春大学源自学报 第２ ０卷
四面体形状 排列 。Ｚ Ｏ的原 料来 源非常 丰富 、 毒 、 备条件 相 对简 单且 无 害 ， ｎ 无 制 化学 稳 定性 好且 具 有优 良的
压电和光电性能。最初 Ｄｅ 等人从理论的角度预测通过在 Ｚ Ｏ半导体中掺杂过渡金属元素可以得到 高 ｉｌ ｔ ｎ
于室 温的 Ｄ Ｓ 材料 ， Ｍｓ 因此 引起 了人们对 过渡金 属掺杂 Ｚ Ｏ和其它 金属 氧化物 基 Ｄ ｓ 如 ：ｎ ＴＯ ） ｎ ＭＳ（ Ｓ Ｏ 和 ｉ 的 广泛关 注 ， 大量的研 究工作 相继被 报道 。其 中因为 ＺＯ体 系 自身优 异 的压 电 、 电和透 明导 电等 性能 ， ｎ 光 也使
ZnO基稀磁半导体进展
细结构 中， 用粒子激发再结晶法在轧制过程中可得到织构的随机化。另外，与用常规工艺制 备的镁材相比，Ｔ Ｃ Ｒ Ｉ艺制备 的板材的各 向异性低， Ｒ Ｔ艺制备的板材可按照工业设计的 ＴＣ 要求加工成各种复杂形状的部件 。通用大宇Ｉ ｌ 车型的前盖是用Ｐ Ｓ Ｏ ￣ｒ ｓ ｏ Ｏ Ｃ 公司的镁板制造
颗粒精细准确地分散在镁合金中， 产生大的弥散强化作用 。 分散的颗粒还能阻止颗粒在高温 热暴露下的生长，这对材料的机械性质和在 高温下加工成型是有利的。 尽管 目前对镁的Ｔ Ｃ Ｒ工艺的研究大多数集 中在通过改善铸造和轧制技术来制造较大的板 材， 但也有一些工作尝试利用精细微粒分散程度的差异研发新的镁合金， 尽管在常规的铸锭 合金 中这种微 粒通 常是 粗糙有 害 的 。为 改善Ａ ９合 金 的耐腐 蚀性 ，添加 了少 量Ｍ ，Ａ ９ 合金 Ｚ１ ｎ Ｚ１ 的实例证实了在ＴＣ Ｒ 工艺中Ｍ对精细微粒的形成是有益的。 Ｒ 工艺中， ｎ 在Ｔｃ №在镁合金中更多 的功能在Ｍ —ｎ ｇｚ 基合金中反映出来，人们发现 ￣Ｍ －Ｚ 中同时添加Ａ 和Ｍ 时，由于从ＭＺ： ｇ６ｎ ｌ ｎ ｇｎ中 析 出 了Ａ ｎ的分 散微粒 ，导 致 了材 料 的强化 。对用 ＴＣ ｌＩｓ ｊ ｌ Ｒ Ｉ艺 制备 的Ｍ－ Ｚ－Ａ 一 Ｍ合 金进 行 ｇ ６ｎ ｉｌ １ｎ Ｔ 处理后，其在室温下的张力性能 （Ｓ ０ Ｍ ａ Ｔ ：３ ０Ｐ ，Ｅ ：１．％ 超过了用铸锭 ６ Ｙ ：３ ７Ｐ ，Ｕ Ｓ ３Ｍ ａ １ ６２ ） 法 结 合热 轧工 艺制备 的镁板 材 的性 能 （Ｓ ３ Ｍａ Ｔ ：２ ３Ｐ ，Ｅ ：１．％ ｙ ：２ ６Ｐ ，Ｕ Ｓ ８ Ｍａ １ ６ ８ ）。精细 的分 散微粒的有益作用 已被用ＴＧ Ｚ Ｒ Ｉ 艺制备的合金在高温下的超塑性 （ ３ 和５ ０ １ ３ 在３Ｏ Ｏ Ｃ ×１－ 的条件 ％ 下，Ｅ ：７ ０ ）所证实。也有报告说在Ｍｇ ｌ ｎ １ ４％ － － 合金 中添加Ｃ 会形成精细的含Ｃ 微粒，引 ＡＺ ａ ａ 起颗粒细化并改善精细结构和织构 的均质性 。 ｉ等人也报告说用Ｔ ＣＥ Ｋｍ Ｒ ￣ 艺制备的 ＭｇＺ ． ．ｎ Ｙ 合 金 的第二相 微粒 、 十面 体物相 和 长周期 结构 的 体积 分数 都 比相似 组 分的重 力铸造 合 金 的 二 相应数据大两倍，并指出Ｔ 工艺对增加固溶性也有有益的作用。 Ｉ （ 黄文梅 摘译 ）
ZnO基稀磁半导体的研究进展
第２ ７卷 第 ３期 ２０ ０ ７年 ５月
河北 大 学 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ｂ ｉ ｉｅｓ ｙ（ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒａ ｏ ｅ Ｕｎｖｒｉ Ｎａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ Ｈｅ ｔ ｅ ｉ
ｃ ｙ ｔ ｓｗｈ ｃ ａ ｅ ｎ ｓ ｎ ｈ ｓｚ ｄ ｂ ｎ ｒ ｉ ｎ ｉｓ ｉｕ ｅ ，ａ ｄ ｄ ｓ ｕ ｓ ｔ ｅ ｆ ｒ ｔ ｒ ｃ ｄ ｒ ｆｔ ｅ ｆｒ ｏ ｒ ｓ ａ ｉｈ ｈ ｓｂ ｅ ｙ ｔ ｅ ｉｅ ｙ ｍａ ｙ ｆ ｅｇ ｔ ｔ ｓ ｎ ｉｃ ｓ ｈ ｏ ｍａ ｉ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅｏ ｈ ｅ ｒ — ｌ ｏ ｎ ｔ ｎ
中图分 类号 ： ７ Ｏ４ 文献标 识 码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ０—１ ６ （０ ７ ０ —０ ３ １０ ５ ５ ２ ０ ） ３ ３ ２—０ ５
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｄｅ ｅｏ ｍ ｅ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆＺｎＯ ＤＭ Ｓ
ＣＡＩ ｈ － ｈ ｎ ＱＩ ａ ｇ ｄ ｎ ，ＤＵ Ｇ ｉｇ ｇ ａ ，Ｌ ａ ， ＨＡ － ｉ ｕ ｚ ｅ ， Ｎ Ｘｉｎ － ｏ ｇ Ｓ ＡＮ Ｐ ｎ － ｕ ｎ Ｉ Ｘｉ Ｚ ＮＧ Ｙｕ ｍｅ
（ ｏｌ ｅ ｆ ｈ ｓ ｓ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｈ ｂ ｉ ｉ ｒ ｔ ， ａｄｎ ７ ０ ２ ， ｈｎ Ｃ ｌ ｇ ｙｉ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ ｅ ｏＰ ｃＳ ｅ ｅ ｅ Ｕｎｖ ｓ ｙ Ｂ ｏ ｉｇ０ １ ０ ｅｉ Ｃ ｉａ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈｅ ｃ ｒ ｅ ｔ ｉ ｆ ｒ ｔｏ ｉｐ ｓ ｎ ｒ ｎ ｍｉ ａｎ ｙ ｔ ｋ ｄ ａ ｔ ｇ ｆｔ ｅ ｅｅ ｔｏ ｃ ｄ ｇｒ ｅ ｏ ｓｒ ｃ ： ｕ ｒ ｎ ｎ ｏ ｍａ ｉｎ ｄｓ ｏ ｅ ａ ｄ ｔ ａ ｓ ｔｍ ｉ ｌ ａ ｅ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｏ ｈ ｌ ｃｒ ｎｉ ｅ ｅ ｆ ｆｅ ｄ ｍ ，ａ ｓ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆｅ ｄ ｍ ｆ ｔ ｌｃ ｒ ｎ ｃ ｓ ｉ ｏ ｓｏ ｅ ｔ ｎ ｏ ｍ ａ ｉｎ．Ｔｈ ｉｕ ｅ ｇ ｅ ｉ ｒｅｏ ｎｄ ｕ ｅ ｔ ｅ ｄ ｇｒ ｅ ｏ ｒ ｅ ｏ ｏ ｈｅ ｅｅ ｔ ｏ ｉ ｐ ｎ ｔ ｔ ｒ ｈｅ ｉｆ ｒ ｔｏ ｅ ｄ ｌ ｔ ｄ ｍａ ｎ ｔｃ ｓ ｍｉｏ ｄｕ ｔ ｒｍ ａ ｓ ｆ ｔ ｅ ｅｅ ｔｏ ｉ ｈａ ｇｅ ａ ｄ ｓ ｉ ｏ ｅ ｈ ｒ ｔ ｉｐ ｓ ｎｄ ｓｏ ｅ ｔ ｅ ｉ ｏ ｍａ ｉ ｎ，８ ｅ ｃ ｎ ｃ ｏ ｋｅ ｕ ｅ ｏ ｈ ｌｃ ｒ ｎ ｃ ｃ ｒ ｎ ｐ ｎ ｔ ｇ ｔ ｅ ｏ ｄ ｓ ｏ ｅ ａ ｔ ｒ ｈ ｎｆ ｒ ｔｏ ０，ｉ ｔ ｈ ｓｂ ｃ ｍｅａ ｎ ｗ ｉ ｄ ｓ ｍ ｉｏ ｕｃｏ ．Ｔｈｅｄｉ ｔ ｄ ｍａ ｅ ｉ ｅ ｉｏ ｕ ｔ ｒｏｗｎ ａ ｐ ｃａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｓ ｗｈｉｈ ａ ｅ ｏ ｅ ｋ ｎ ｅ ｃ ｎｄ ｔ ｒ ｌ ｅ ｇｎ ｔｃｓ ｍ ｃ ｎｄ ｃ ｏ ｕ ｓｍ ｎｙ ｓ ｅ ｉｌｃ ａ ａ ｔ ｒ ， ｃ ｗｉｅ ｔ Ｓａ ｐ ｉａ ｉ ｉｌ ｓ ｕ ｈ ａ ｎ ｔ ｇ ｉ ｅ ｓｔ ｅ ｒ ｄ ｓｉ ’ ｐ ｌｃ ｔｏｎ ｆｅｄ ，ｓ ｃ ｓ ｉ ｈｅ ｈｉｈ—ｎｔ ｎ ｉｙ ｍ ｍｏ ｙ，ｉ ｔ ｇ ａ ｅ ｉｃ ｉ ，ｓ ｍｉｏ ｄ ｔ ｒ ｌｓ ｒ ａ ｎ ｅ ｒ ｔ ｄ ｃｒ ｕ ｔ ｅ ｃ ｎ ｕｃｏ ａ ｅ ｎｄ ｑ ａ ｔ ｏ ｕｔ ｒ ｕ ｎ ａ ｃ ｍｐ ｅ ．Ｔｈｉ ｒ ｉｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｓ ｔ ｅ ｒ ｍ ａ ｎｅ ｉｍ ｆ ｔ ｈ Ｏ ｌ ｔ ｄ ｍａ ｅ ｉ ｅ ｃ ｎ ｕｃｏ ｓ ｓ ａ ｔｃｅ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ｈｅ ｆ ｒｏ ｇ ｔｓ ｏ ｈｅ ｔ ｅ Ｚｎ ｄｉ ｅ ｇｎ ｔｃ ｓ ｍｉｏ ｄ ｔ ｒ ｕ
过渡金属(Mn 2+、Ni 2+、Fe 3+、Cu 2+)掺杂ZnO基稀磁半导体的制备及性质
４ ８ ｍ ｏ ｅ ｄ ｐ ｄ Ｚｎ ａ ｄ ｃ ｎ ｅ ｅ ｔ４ ９ ｍ ｎ ３ ｎ ｆ ｒＣｕ ｄ ｐ ｄ Ｚｎ ６ ｎ ｆ ｒ Ｆ － ｏ ｅ Ｏ ｎ ｅ ｔ ｒ ｄ ａ ６ ｎ ａ ｄ ５ ５ ｍ ｏ － ｏ ｅ Ｏ．Ｔｈ ｇ ｅ ｉ ｒ ｐ ｒ ｉｓ ｏ ｈ ｎ， ｅ ｍａ ｎ ｔ ｐ ｏ ｅ ｔ ｆｔ ｅ Ｍ ｃ ｅ ＮｉＦｅ Ｃｕ ｄ ｐ ｄ Ｚ Ｏ ｘ ｉ ｉ ａ ｒ ｏ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｔｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｗｉｈ ｓ ｔ ｒ ｔ ｎ ｍ ａ ｎ ｔ ａ ｉ ｎ （ ｏ ， ， － ｏ ｅ ｎ ｅ ｈ ｂ ｔ ｏ ｍ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｆ ｒｏ ｇ ｅ ｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｔ ａ ｕ ａ ｉ ｇ ｅ ｉ ｔ ｃ ｏ ｚ ｏ Ｍ ） ｆ
Ｏ 、９ ３ Ｏｅ ２ Ｏｅ ｅ ９ ． ３ 和 ３ 。经分析 室温铁磁性 来源于缺 陷调 制的 Ｍ ＋ Ｍ 长程铁磁 交换相 互作 用。 一
关 键 词 Ｚ Ｏ基稀磁半导体 溶液腐蚀 法 光学性质 磁性 ｎ
中图分类号 ： Ｂ ３ Ｔ ３２
文献标识码 ： Ａ
Ｓ ｎｔ ｓｓａ ｄ Ｐｒ ｐｅ ｔｅ ｆＴｒ ｎ ｉｉｎ Ｍ ｅ ａ ｐ ｄ Ｚｎ Ｄｉｕ ｅ ｅ ｉｏ ｄｕ ｔ ｒ ｙ ｈｅ ｉ ｎ ｏ ｒｉｓｏ ａ ｓｔｏ ｔ ｌＤｏ ｅ Ｏ ｌ ｔｄ Ｓ ｍ ｃ ｎ ｃ ｏ
ｔ ｅｂ ｕ ｍｉｓｏ ｅ ｋ ｅ ｔｒｄ ａ ２ ｎ ａ ｄ ４ ３ ｍ ｏ ｈ ｎｄ ｐ ｄ Ｚｎ ｆｍ ， ｂｕ ｍｉｓｏ ｅ ｋ ｃ ｎ ｅｅ ｔ ｈ ｌｅｅ ｓｉｎ ｐ ａ ｓｃ ｎ ｅｅ ｔ４ ４ ｍ ｎ ４ ｎ ｆ ｒｔ ｅ Ｍ － ｏ ｅ Ｏ ｉ ｌ ｌｅｅ ｓｉｎ ｐ ａ ｅ ｔｒｄ ａ
(整理)ZnO基稀磁半导体材料的研究进展.
ZnO基稀磁半导体材料的研究进展集半导电性和磁性于一体的磁性半导体，可以同时利用电子的电荷和自旋，兼备常规半导体电子学和磁电子学的优越性，被认为是2l世纪最重要的电子学材料．在自旋电子领域展现出非常广阔的应用前景，引起了人们对其研究的浓厚兴趣．在非磁半导体材料中掺杂磁性元素，将有可能使其变成磁性的．因而，从材料的磁性角度出发，半导体材料可以划分为非磁半导体(nonmagnetic semiconductor)、稀磁半导体 (diluted magnetic semiconductor)和磁半导体(magnetic semiconductor)三种类型(图1)．稀磁半导体在没有外场作用时与非磁半导体具有相同的性质；反之，则具有一定的磁性．DMS的禁带宽度和晶格常数随掺杂的磁性材料离子浓度和种类不同而变化，通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件．氧化物DMS掺杂元素主要有过渡族元素(TM)、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等以及稀土元素(RE)等，过渡族元素和稀土元素具有很强的局域自旋磁矩，这些元素掺入到半导体材料中，替代半导体材料部分阳离子的位置形成稀磁半导体．在外加电场或者磁场的影响下，材料中的载流子行为发生改变，从而产生了一般半导体材料所没有的一些新物理现象．如巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应、大的激子分裂、超晶格量子阱以及磁致绝缘体--金属转变等．可以开发全新的、更微型化的半导体自旋电子器件，如自旋场效应晶体管(Spin—FET)、自旋发光二极管(Spin—LED)，同时还可以将目前分立的信息存储、处理、显示集成为一体，对微电子器件产生革命性的影响．1 DMS发展概述DMS的研究可以上溯到上个世纪60年代，当时所研究的磁性半导体材料大多是天然的矿石，如硫族铕化物在半导体尖晶石中可以产生周期性的磁元素阵列．但这类磁半导体的晶体结构和Si、GaAs等半导体材料有极大的不同．其晶体生长极为困难，很小的晶体通常要花费数周的准备和实施时间．同时，居里温度Tc在100K以下，导电性能接近绝缘体．经过几十年的研究，由于DMS的居里温度Tc远低于室温以及较低的饱和磁化强度，DMS没有能够得到广泛的应用．进入20世纪80年代，人们开始关注稀磁半导体．即用少量磁性元素与II—VI族非磁性半导体形成的合金。
氧化物稀磁半导体的研究进展
氧化物稀磁半导体的研究进展摘要：稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性，并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料。
本文论述了氧化物稀磁半导体的研究进展。
关键词：稀磁半导体；ZnO；磁学性质；光学性质在各种类型的半导体材料中，氧化物半导体材料因为具有宽带隙的特点，所以能够实现n型载流子重掺杂，有利于强铁磁交换耦合在局域自旋之间进行，是实现高居里温度的最有希望的宿主化合物之一。
而氧化物半导体材料被过渡族金属掺杂后成为极具潜力的自旋电子材料之一。
一、氧化物稀磁半导体制备条件对磁性的影响氧化物稀磁半导体的制备工艺参数对材料性能有着重要的影响，制备方法的选取、不同基底和过渡层的选取、制备过程中基底温度和氧分压的微小变化等因素都可能影响到材料的最终性能。
制备温度越低，越不利于掺杂物的充分反应，易出现杂质，尤其是对于块状样品，制备温度会影响到掺杂物在整个样品中的均匀性；而过高的沉积或烧结温度又会使掺杂物有团聚的倾向，容易形成反铁磁耦合，从而降低饱和磁化强度。
氧化物稀磁半导体样品制备过程中氧分压的大小，以及随后进行的样品退火处理都会对氧化物稀磁半导体的磁性产生影响。
氧化物稀磁半导体磁性的起源与氧空位的存在有很大关系。
增加氧空位的方法有2种：①退火，包括真空退火和在H2气氛中退火，但在完全为H2的气氛中退火并不安全。
②改变制备过程中氧分压的大小。
在高真空中退火的Cr-ZnO，分别在空气中退火和真空中退火的Fe-TiO2，在Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Fe-ZnO，通过改变制备过程中氧分压的Mn-ZnO，以及在高真空或Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Cu-TiO2等都说明，不论以何种方式增加氧空位后，磁性都呈现一个从无到有或从弱到强的趋势。
不管是退火还是控制制备过程中的氧分压，都有一个共同的特点，即随着氧空位的增加(真空退火或氢气气氛中退火，或减少制备过程中的氧气含量)磁性呈现增强的趋势。
过渡金属掺杂CeO_(2)基稀磁半导体铁磁性能的研究进展
过渡金属掺杂CeO_(2)基稀磁半导体铁磁性能的研究进展
马勇;石定坤;李玉锋;高湉
【期刊名称】《微纳电子技术》
【年(卷),期】2024(61)6
【摘要】近年来过渡金属掺杂稀磁半导体材料CeO_(2)被大量研究并且取得了许
多重要成果。
对其铁磁性及起源进行了简单阐述,重点对不同摩尔分数的过渡金属
掺杂对CeO_(2)铁磁性的影响进行了介绍,系统介绍了未掺杂和掺杂过渡金属Mn、Fe、Co,以及不同制备方法和条件对CeO_(2)铁磁性能的影响。
归纳总结CeO_(2)的铁磁性能,不仅为开发新型稀磁半导体材料提供科学指导,也进一步促进过渡金属
掺杂在稀磁半导体材料中的应用。
研究表明,合理的掺杂配比和制备工艺对提升CeO_(2)稀磁半导体材料的室温铁磁性有明显效果。
最后对该领域的未来发展方向进行了展望。
【总页数】9页(P22-30)
【作者】马勇;石定坤;李玉锋;高湉
【作者单位】上海电力大学数理学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN304.7
【相关文献】
1.过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的研究进展
2.过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体
铁磁特性研究进展3.过渡金属掺杂LiMgAs基新型稀磁半导体的磁电性质研究4.
过渡金属掺杂CdO基稀磁半导体材料的研究5.过渡金属掺杂CdO基稀磁半导体材料的研究进展
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稀磁半导体的室温铁磁性研究进展
稀磁半导体的室温铁磁性研究进展摘要:由于具有室温铁磁性和在与电子自旋相关的电子器件上的潜在应用,稀磁半导体氧化物的研究引起了人们的高度关注。
实验上已经成功地制备了一系列具有室温铁磁性的氧化物稀磁半导体,其磁性特别是居里温度和磁性离子的磁矩与实验条件、制备方法、衬底选择等有密切的关系。
随着实验上稀磁半导体的制备成功,人们对其磁性机制也进行了大量的理论(计算)研究,然而至今也没有得出统一的结论。
稀磁半导体的铁磁性机制还需要大量的理论研究和实验论证,一旦投入应用,必将引发微电子革命,创造未来更加绚丽多彩的数字新生活。
1引入当前和未来是信息时代,今后对信息的处理、传输和存储的速度和规模的要求越来越高。
在信息处理和传输中扮演着重要角色是以半导体材料为支撑的大规模集成电路和高频率器件,在这些技术中它们都极大地利用了电子的电荷属性;而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储(如磁带、光盘、硬盘等)则是由磁性材料来完成的,它们极大地利用了电子的自旋属性。
然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的,彼此之间相互独立。
这是因为在传统的电子线路中电子是自旋简并的,自旋向上和自旋向下的电流是相等的,因而无法把电子的电荷和自旋属性区分开来并加以利用。
在一些铁磁性物质中,交换劈裂使得费米面处自旋向上和自旋向下的电子态密度不相等,导致两种自旋电流的大小不等而出现总的自旋极化电流。
操纵和利用这种自旋电流的设想开辟了物理学研究的新领域:自旋电子学(Spintronics)。
它是研究自旋极化电子的输运特性(包括自旋极化、自旋相关散射与自旋驰豫)以及基于这些独特性质来设计、开发新型电子器件的一门新兴的交叉学科。
由于自旋电子学同时利用了电子的电荷和自旋属性,这无疑将会给未来的信息技术带来巨大的变革。
与传统的半导体器件相比,自旋电子器件具有速度快、体积小、能耗低、非易失性、功能强等优点。
常见的半导体材料具有带隙却不具有自旋劈裂和磁性,而常见的磁性材料有自旋劈裂和磁性却不具有半导体的带隙。
稀磁ZnO纳米颗粒的生长和性能
稀磁ZnO纳米颗粒的生长和性能
王引书;林三井;王若桢;高有辉
【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】2008(029)006
【摘要】利用Zn、Fe、Mn、Co的铜铁试剂盐为前驱体,胺为表面包裹剂,在200 ℃ N2保护下生长了2% 的过渡金属离子掺杂的ZnO稀磁纳米晶体,研究了纳米晶体
的结构、形态、光学和磁学性能.所有ZnO纳米晶体均为近圆形的颗粒,晶体结构
为六角纤锌矿结构,无其他氧化物相的析出,但过渡金属离子的掺入使纳米颗粒的尺
寸增大.在掺杂纳米颗粒的吸收谱和发射谱中均可以观察到明显的激子吸收和发射峰,所有纳米颗粒在温度高于43 K时只有顺磁性.
【总页数】4页(P1063-1066)
【作者】王引书;林三井;王若桢;高有辉
【作者单位】北京师范大学,物理系,北京,100875;北京师范大学,物理系,北
京,100875;北京师范大学,物理系,北京,100875;北京师范大学,物理系,北京,100875【正文语种】中文
【中图分类】O482.31;O484.43
【相关文献】
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旭;刘晟杰
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第37卷第1期 人 工 晶 体 学 报 Vol .37 No .1 2008年2月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS February,2008 过渡金属掺杂ZnO 稀磁半导体铁磁特性研究进展王爱华1,张丽伟1,2,张兵临1,姚 宁1(1.郑州大学材料物理教育部重点实验室,郑州450052,2.新乡学院,新乡450003)摘要:Zn O 基稀磁半导体是目前研究的热门课题,关于3d 过渡金属掺杂(transiti on 2metal 2doped )Zn O 的室温铁磁性有很多报道。
本文对不同方法和不同条件制备的过渡金属掺杂的Zn O 基稀磁半导体的磁性和相应机理进行了综述。
关键词:自旋电子学;稀磁半导体;Zn O;过渡金属掺杂;室温铁磁性中图分类号:T N304文献标识码:A文章编号:10002985X (2008)0120114210Recen t Progress i n D evelop i n g Ferromagneti c Properti es ofTran siti on 2m et a l 2doped ZnO D iluted M agneti c Sem i conductorsWAN G A i 2hua 1,ZHAN G L i 2w ei 1,2,ZHAN G B in 2lin 1,YAO N ing1(1.Key Laborat ory of Matearial Physics of M inistry of Educati on,Zhengzhou Univercity,Zhengzhou 450052,China;2.Xinxiang Collage,Xinxiang 450003,China )(Received 18June 2007,accepted 7N ove m ber 2007)Abstract:ZnO 2based diluted magnetic se m iconduct ors (DMS )have become a focus research p r oble m which attracts considerable attenti on .Recently,there have been many reports about the r oom 2te mperature ferr o magnetis m of 3d transiti on 2metal 2doped ZnO.I n this paper,the magnetic p r operties and possiblemechanis m of Zn O 2based DMS p repared by different methods are summarized and revie wed .Key words:s p in 2electr onics;diluted magnetic se m iconduct ors (DMS );ZnO;transiti on 2metal 2doped;r oom 2te mperature ferr omagnetis m 收稿日期:2007206218;修订日期:2007211207 基金项目:教育部重点项目(No .205091) 作者简介:王爱华(19822),女,河南省人,在读博士。
E 2mail:ketty0212@t 通讯作者:张兵临,教授,博导。
E 2mail:blzhang@zzu .edu .cn1 引 言20世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起,但从物理的观点看来它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性。
众所周知,电子具有电荷的同时又具有自旋,以往这两个自由度分别在电子学与磁学这两个领域中各显身手。
用于数据处理的集成电路利用的是电子的荷电性,而数据存储和读取利用的则是磁性材料中电子的自旋。
磁电子学(magnet o 2electr onics )是一个新的、正在快速发展的领域,是一门结合磁学与微电子学的交叉学科[1]。
在这里,电子的电荷自由度和自旋自由度被同时应用以产生新的功能,在更广义的情况下,这个新的领域即自旋电子学(s p in 2electr onics or s p intr onics )。
从物理的角度考虑,增加一个自由度意味着可以增添无数新颖的应用。
极化自旋与电子电荷在固体内部受控的运动,导致磁与电在固体内部有机结合的 第1期王爱华等:过渡金属掺杂Zn O稀磁半导体铁磁特性研究进展115新器件的诞生。
1988年巴西学者Baibich在[Fe/Cr]周期性多层膜中观察到:当施加外磁场时,其电阻变化率高达50%的巨磁电阻(giant magnet o2resistance,G MR),这是自旋电子学发展的一个里程碑[2]。
巨磁电阻的发现引发了与电子自旋有关的诸多研究工作,半导体自旋电子学就是其中的热门研究领域之一。
磁性半导体、磁性/半导体复合材料、非磁性半导体量子阱和纳米结构中的自旋现象,以及半导体的自旋注入的研究皆属于半导体自旋电子学的研究范围[3]。
目前,另一种基于现代半导体技术而又将对其产生强大冲击的新材料:稀磁半导体(diluted magnetic se m iconduct ors),由于其许多新颖的特性,如大的g因子,法拉第旋转,巨磁阻,磁光效应等[4],特别是被期望用于下一代的量子计算机,已经成为人们研究的热点问题。
磁性半导体材料主要指的是稀释磁性半导体(DMS),即非磁性半导体中一部分原子被磁性原子所替代。
20世纪80年代,DMS的研究主要集中在(Cd,Mn)Te和(Zn,Mn)Se等Ⅱ2Ⅵ族半导体[5],在Ⅱ2Ⅵ族半导体中,Ⅱ族原子可以被等价的磁性过渡金属(transiti on metal)原子所替代而使半导体中富含大量磁性原子,并可进一步制备出量子结构。
Ⅱ2Ⅵ族DMS的性质如法拉第(Farady)效应可以通过sp2d交换作用(即非磁性原子的s和p轨道与磁性原子的d轨道之间的交换作用)产生的磁场来调节。
在Ⅱ2Ⅵ族DMS中均可观察到反铁磁性、自旋玻璃、顺磁性以及低温下的铁磁性。
近年来,金属氧化物半导体由于其在光电器件方面的广阔应用前景而备受关注。
氧化锌(ZnO)是一种n型宽带隙(室温下3.7ev)Ⅱ2Ⅵ族化合物半导体,具有六方纤锌矿结构。
其空间群为P63m c,晶格常数a=0.3249n m,c=0.5206n m.在光电导、压电、发光器件、激光器、透明导电膜、气敏传感器等、表面及体声波器件以及声光器件等方面有许多应用和广阔的应用前景。
特别是应用于工作在紫外光到蓝光范围的发光二极管(LEDS)(LDS)以及紫外光探测器极具良好前景和市场价值。
另一方面,氧化锌可以做为通过3d过渡金属阳离子(如Mn,Co,Fe等)掺杂获得磁性半导体的基体材料,掺杂易进行且杂质浓度高,掺杂后,阴阳离子之间的强相互作用是出现新的现象的来源。
D ietl从理论上预言了掺杂Zn O具有室温铁磁性,这引起人们的极大兴趣[6],用基于局域密度近似的ab从头算的方法也得到磁性离子掺杂的ZnO具有铁磁性。
K.Sat o等人用第一性原理系统计算了V,Cr,Fe,Co,N i掺杂ZnO得到了它们的能带图[729]。
如何提高铁磁半导体的居里温度成为目前理论和实验物理学家的共同关心的问题。
实验发现,n型稀磁半导体材料大多是顺磁材料,而p型稀磁半导体则可能出现铁磁性。
直到现在,许多研究小组都在致力于Zn O基稀磁半导体的研究,本文主要对Mn,Co,Fe掺杂体系的不同研究结果进行了综述。
2 不同过渡金属磁性离子掺杂Zn O的磁性研究2.1 M n掺杂的ZnO磁性研究D ietl等人用Zener铁磁模型的平均场理论证明,Zn O掺Mn可以达到很高的居里温度[6]。
而基于局域密度近似的能带计算表明,Zn O掺Mn只有p型的才有铁磁性,并且居里温度在300K以上,n型的是反铁磁性[10]。
对各类p型半导体,掺入5%Mn,考虑通过正穴位中介,RKKY相互作用而产生铁磁性交换作用,理论上估算居里温度如图1所示[6]。
在早期Mn掺杂Zn O的研究中,Fuku mura等人用脉冲激光沉积法制备ZnMn0.36O薄膜[11],样品表现0.64出自旋玻璃态的行为,自旋冷冻温度约为13K,居里-外斯温度非常大,说明存在强的反铁磁耦合。
Ti w ari 等人[12]在ZnMn0.05O薄膜中没有观察到铁磁有序(测量温度低至10K),只观察到了顺磁性。
0.95S.W.Jung等人对Zn12x Mn x O(x=0.0～0.3)氧化物进行研究[13],发现Mn掺杂的外延ZnO薄膜是铁磁性的,M2H曲线如图2所示。
其带隙宽度随含Mn量而线性增加,E g=3.273+1.32x(e V),其居里温度分别为30K与45K(均未超过室温),相应组成为x=0.1或0.3。
实验结果之所以不同是因为生长条件与膜的性质有密切关系。
116 人工晶体学报 第37卷图1 理论估算的含5%Mn 的p 型半导体铁磁居里温度示意图Fig .1 Computed values of the Curie te mperature(T c )for vari ous p 2type se m iconduct orscontaining 5%of Mn图2 5K 时Zn 0.9M n 0.1O 的磁滞回线Fig .2 Hysteresis l oop measured at 5K on Zn 0.9Mn 0.1O fil m H.Schm idt 等人用脉冲激光沉积法制备出了具有室温铁磁性的Zn 12x Mn x O 薄膜[14,15]。
在[14]中,从500Oe 场冷却和零场冷却曲线可以看出,Mn 掺杂量为9.1%原子分数(fil m 3)和1.8%原子分数(fil m 1)Zn O 样品均呈现为铁磁性,居里温度分别为375K 和311K (如图3所示),此外得到的含Mn 量为6.5%原子分数(fil m 2)的Zn O 薄膜的饱和磁化强度和矫顽力分别为0.013e m μ・g 21和234Oe,三种掺杂浓度的样品的磁滞回线如图4所示。
相对而言,6.5%原子分数(fil m 2)的ZnO 薄膜铁磁性最好,剩磁与饱和磁化强度比值和矫顽力较大。
通过磁化系数的测量和分析可知,Mn 磁矩为反铁磁而非平行排列,从而表现出非常弱的铁磁性,此研究表明Mn 掺杂的Zn O 可以用做软糍材料。
图3 Zn 12x M n x O 的场冷却和零场冷却曲线Fig .3 Field cooling (FC )and Zer o field cooling (ZFC )mag metizati on maeasured on t w o Mn 2all oyed Zn O fil m s with a Mn content of 9.1at%(Fil m 3)a md 1.8at%(Fil m 1)图4 Zn 12x Mn x O 的磁滞回线(300K )Fig .4 Hysteresis l oop measured at r oom te mperure on three Mn 2all oyed Zn O fil m s with a Mn content of 1.8at%(Fil m 1),6.5at%(Fil m 2),and 9.1at%(Fil m 3) S .Ra machandran 等人报道了用脉冲激光沉积法制备的Zn 12x Mn x O (x =0.01～0.1)的铁磁性及其在氧气氛下退火处理的影响[16]。