稀磁半導(dǎo)體（Diluted Magnetic Semiconductors,DMSs）,一般指摻入過(guò)渡金屬元素或稀土金屬元素而構(gòu)成的一類新型半導(dǎo)體材料。氧化鋅（ZnO）結(jié)晶態(tài)材料（薄膜、晶體等）是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能,并可通過(guò)摻雜實(shí)現(xiàn)磁光和磁電特性。因此,ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料一直是稀磁半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在過(guò)去的十余年間,人們?cè)谶^(guò)渡金屬元素?fù)诫sZnO基稀磁半導(dǎo)體材料研究方面取得了重要進(jìn)展,不僅獲得了具有室溫鐵磁性的材料體系,而且對(duì)其磁性來(lái)源和鐵磁耦合機(jī)理也有了深入的認(rèn)識(shí)。但是,迄今為止,人們對(duì)稀土金屬元素?fù)诫sZnO基稀磁半導(dǎo)體的磁性來(lái)源和鐵磁耦合機(jī)理仍沒(méi)有形成統(tǒng)一的定論,許多科學(xué)問(wèn)題有待于更進(jìn)一步的研究。本文從基于第一性原理計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)和采用等離子體增強(qiáng)物理氣相沉積（ICP-PVD）技術(shù)制備稀土金屬元素?fù)诫sZnO薄膜并對(duì)薄膜樣品進(jìn)行系統(tǒng)的性能檢測(cè)表征為核心的實(shí)物實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面開(kāi)展了深入研究,取得了以下四個(gè)方面的研究成果:（1）采用第一性原理計(jì)算開(kāi)展了ZnO和Er、Gd、Pm、Nd、Yb稀土金屬元素?fù)诫sZnO結(jié)晶態(tài)材料體系化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與其磁性能關(guān)系的虛擬實(shí)... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)上海市

【文章頁(yè)數(shù)】：158 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

稀磁半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖[13]

稀土金屬元素?fù)诫sZnO薄膜制備與磁交換機(jī)制研究4中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所博士學(xué)位論文圖1.2DMSs材料的研究歷程。Fig.1.2ResearchhistoryofDMSs.（1）20世紀(jì)60年代末至70年代，研究者在以Eu為代表的鑭（La）系稀土金屬的硫?qū)倩衔颷16]和具有尖晶石結(jié)構(gòu)的三元化合物[17,18]中發(fā)現(xiàn)了磁性和半導(dǎo)體特性共存的現(xiàn)象。但兩類材料的鐵磁居里溫度都很低，而且載流子與磁性離子之間、磁性離子與磁性離子之間的相互交換機(jī)制尚未得到完整的認(rèn)識(shí)。（2）20世紀(jì)80年代，荷蘭的R.R.Galazka在研究磁性離子摻雜II-VI族化合物中首次提出了稀磁半導(dǎo)體的概念，并對(duì)這類材料的性能進(jìn)行了歸納。大多數(shù)磁性過(guò)渡金屬離子的化合價(jià)為+2，II-VI族化合物半導(dǎo)體被廣泛用作為基體材料。J.K.Furdyna研究組[19]使用分子束外延技術(shù)制備了Mn摻雜ZnSe和CdTe等材料，主要研究了磁場(chǎng)對(duì)材料光學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)了一些奇特的低溫磁光性質(zhì)，如巨塞曼效應(yīng)、巨法拉第旋轉(zhuǎn)等。然而，該階段制備的DMSs材料呈現(xiàn)順磁性和反鐵磁性，部分II-VI族DMSs材料雖然具有鐵磁性，但鐵磁轉(zhuǎn)變溫度很低，居里溫度一般在幾K至幾十K范圍內(nèi)，在高于居里溫度的溫度范圍內(nèi)，材料的磁光性質(zhì)完全消失。（3）隨著半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展，20世紀(jì)90年代，以GaAs為代表的III-V半導(dǎo)體材料取得了快速發(fā)展，研究者通過(guò)摻雜尋找高居里溫度的DMSs材料[20-22]。同時(shí)，薄膜制備技術(shù)[如分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、脈

稀土金屬元素?fù)诫sZnO薄膜制備與磁交換機(jī)制研究6中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所博士學(xué)位論文圖1.3利用齊納模型計(jì)算的各種p型半導(dǎo)體的居里溫度[25]。Fig.1.3TheCurietemperatureofp-typesemiconductorscalculatedbyZenermodel[25].圖1.4K.Sato等人基于局域密度近似理論的第一性原理計(jì)算了過(guò)渡金屬（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）摻雜ZnO的（a）鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)的能量差；（b）磁矩大小[26]。Fig.1.4(a)Theenergydifferenceofferromagnetismandantiferromagneticoftransitionmetals(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)dopedZnOcalculatedbyK.Satobasedonfirstprinciple.(b)TheferromagnetismuBoftransitionmetals(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)dopedZnOcalculatedbyK.Satobasedonfirstprinciple[26].1.3氧化鋅材料性質(zhì)ZnO是一種II-VI族化合物材料，其結(jié)晶態(tài)有三種晶型，分別為纖鋅礦、鹽巖礦和閃鋅礦，其中纖鋅礦晶型是在自然界穩(wěn)定存在的形態(tài)。纖鋅礦型ZnO為六方晶系，空間群為P63mc。O2-按六方密堆形式分布，Zn2+的配位數(shù)為4，填充（a）（b）

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氧化物稀磁半導(dǎo)體的研究進(jìn)展[J]. 許小紅,李小麗,齊世飛,江鳳仙,全志勇,范九萍,馬榮榮.  物理學(xué)進(jìn)展. 2012(04)
[2]稀釋磁性半導(dǎo)體[J]. 劉宜華,張連生.  物理學(xué)進(jìn)展. 1994(01)

碩士論文
[1]ZnO d0鐵磁性的研究[D]. 劉曉通.吉林大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3493882