稀磁半導體因其在自旋電子器件上有著很高的潛在應(yīng)用價值而吸引了國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。ZnO在室溫下同時具有鐵磁性和電子的荷電特性,如何制備出室溫下的稀磁半導體使其可以應(yīng)用于制備自旋電子器件已經(jīng)成為人們研究的熱點。ZnO作為一種寬禁帶半導體,有高的激發(fā)能(60meV)、穩(wěn)定的化學性能和熱性能,并且價格低廉、資源豐富,所以有廣泛的應(yīng)用前景和豐富的研究內(nèi)容。近年來,對ZnO基稀磁半導體的研究方興未艾,但是在一些重要機理研究上仍然存在很大爭議。例如,ZnO基稀磁半導體的磁性起源問題、磁性和非磁性元素摻雜對磁性能的影響以及半導體缺陷在稀磁特性中扮演的角色等。本文選擇非磁性和磁性元素摻雜ZnO薄膜為研究對象,重點研究了Mg、Co摻雜ZnO半導體薄膜的稀磁特性,并且結(jié)合光譜技術(shù)探討了Mg、Co:ZnO薄膜的磁性起源。取得的主要研究內(nèi)容如下：1、采用脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition, PLD)技術(shù)制備Mg、Co摻雜ZnO薄膜,選取單晶Si(100)作為薄膜襯底,在不同元素、含量和退火溫度等條件下,研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、磁學性能及光學性能。實驗表明,摻雜后的薄膜,根據(jù)摻雜含量不同分別具有六角形纖鋅礦結(jié)構(gòu)和四方相結(jié)構(gòu),進而引起了磁性上的差異。揭示出ZnO半導體結(jié)構(gòu)與磁性具有很強的關(guān)聯(lián)性,為研制稀磁ZnO半導體材料提供了有價值的實驗結(jié)論。2、系統(tǒng)研究了非磁性Mg摻雜ZnO薄膜。研究結(jié)果表明,所有Mg摻雜ZnO薄膜在室溫下均呈現(xiàn)出鐵磁性。當非磁性元素含量較低時,薄膜具有六角形纖鋅礦結(jié)構(gòu),XRD譜線呈現(xiàn)單一的ZnO(002)峰,說明樣品為單晶薄膜。當Mg含量繼續(xù)增加時,ZnO(002)峰逐步減弱而MgO(200)峰逐步增強,當Mg含量增加到0.25時,薄膜轉(zhuǎn)化為四方相結(jié)構(gòu),并且其磁性隨之增強.。同時發(fā)現(xiàn),氧氣氛和退火溫度對磁性也產(chǎn)生明顯的影響,氧壓增加對薄膜的磁性有增大效應(yīng),而退火溫度的提高會減弱薄膜的磁性。3、系統(tǒng)研究了磁性元素Co摻雜的ZnO薄膜。研究結(jié)果表明,與Mg元素相比,難以獲得ZnCoO薄膜的單晶結(jié)構(gòu),Co摻入ZnO晶格之后,除了六角形纖鋅礦結(jié)構(gòu)之外,薄膜還形成混合相。薄膜磁性隨著Co含量增大先減小后增大。改變ZnCoO薄膜的退火溫度,發(fā)現(xiàn)退火溫度增大薄膜磁性減弱,并且發(fā)光強度也隨之減弱。
【學位單位】：安徽大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TN304.21;O614.411
【部分圖文】：

導體材料（包括丨丨Ｉ－Ｖ、ＩＩ－ＶＩ和ＩＶ族）的居里溫度，并進行了相應(yīng)的計算１８１。其??預(yù)言了可能有居里溫度高于室溫的Ｍｎ摻雜半導體材料，比如ＧａＮ和ＺｎＯ可能??具有室溫下鐵磁性，如圖１－１所示這給研究者們提供了理論平臺，使他們看??１??

過渡族金屬氧化物中，兩個不同價態(tài)的過渡族離子以氧原子為交換作??用地中間媒介進行交換相互作用該理論以被人們廣泛用來解釋猛氧化物的??磁性行為，如圖１－２。如圖所示，Ｍｎ３＋和Ｍｎ４＋間通過０２？離子為媒介進行相互作??用，形成鐵磁性鍋合。兩個磁性離子通過電子交換作用，使稀磁半導體磁矩有序??形成宏觀鐵磁性，但是該理論屬于一種短程的相互作用。??２、超交換作用機制??超交換作用機制又稱為間接相互作用機制，是Ｋｒａｍｅｒｓ于１９３４年提出的。??該理論主要用于解釋反鐵磁和亞鐵磁中磁性離子的交換作用。該理論認為這種交??換作用是通過非磁性離子為媒介來實現(xiàn)的。超交換作用和前面提到的雙交換作用??表面上看起來相似，不同的是超交換作用機制中時發(fā)生在兩個相同價態(tài)的原子之??間［４９］。以ＭｎＯ為例，其基態(tài)如圖．１－３?（ａ）所示，當０２．的一個２ｐ電子躍遷到??：Ｍｎ２＋的３ｄ態(tài)后，系統(tǒng)就處于激發(fā)態(tài)如圖１－３?Ｃｂ）。此時，兩個Ｍｎ２＋的電子自旋??’通過激發(fā)態(tài)的？Ｏ２？產(chǎn)生相互的親合作用稱之為超交換作用。??０２．?＇ｃｒ?Ｍ?奸??ｄｉ?ＰＦ?ｈ?ｄ｜?Ｐ?Ｆ?ｈ??（ａ）基態(tài)?（ｂ》撒發(fā)態(tài)??圖１－３超交換作用示意圖??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒ－ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ??（２）?ＲＫＫＹ相互作用機制??ＲＫＫＹ理論最早提出于１９５４年，由Ｒｕｄｅｒｍａｎ和Ｋｉｔｔｅｌ提出，用以解釋稀??土元素及其合金的磁結(jié)構(gòu)

：前面所提到的理論模型都認為，稀磁半導體的磁性來源于載流子調(diào)節(jié)鐵磁交??換，而束縛磁極化子模型ＢＭＰ卻認為稀磁半導體中的鐵磁性機制為缺陷調(diào)節(jié)的??鐵磁交換。該理論是Ｃｏｅｙ等人與２００５年提出的，如圖１－６所示。與ＲＹＹＫ理??論和載流子調(diào)節(jié)的雙交換理論強調(diào)較高的載流子濃度不同的是，ＢＭＰ模型是針??對低載流子濃度體系的稀磁半導體。在ＢＭＰ模型中，半導體材料中很多的雜質(zhì)??能級（缺陷、施主、受主能級）都可以形成獨立的束縛極子。在一定范圍內(nèi)，這?‘??種由雜質(zhì)能級形成的束縛極子可以與磁性離子之間產(chǎn)生交換作用從而形成束縛??磁極子，也正是這種作用使得極化子半徑范圍內(nèi)的磁性離子自旋平行。當孤立的??＜）??
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