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文檔簡介
1、巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使得磁電子學(xué)成為了磁學(xué)研究的熱點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體器件尺寸的迅速減小,量子效應(yīng)將產(chǎn)生影響。稀磁半導(dǎo)體通過在半導(dǎo)體中摻雜微量的磁性元素能夠獲得室溫的鐵磁性。但是磁性摻雜后的結(jié)果卻千差萬別,甚至自相矛盾,對于其鐵磁性來源有不同的爭論。本文利用水熱法和微乳液法制備Co摻雜ZnO納米材料,并對ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料中的鐵磁性來源等問題展開了研究。是否能在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)室溫的鐵磁性和如何有效的實(shí)現(xiàn)和控制半導(dǎo)體室溫自旋極化的鐵磁性是困擾稀
2、磁半導(dǎo)體多年的問題。在本文中,我們用水熱法和微乳液來制備Co摻雜ZnO納米材料,研究ZnO中鐵磁性的起源。我們的研究得到了一些有益的結(jié)論,這在未來半導(dǎo)體工業(yè)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
我們以Zn(NO3)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O為原料,通過水熱法在較低溫度下制備了純ZnO和Co摻雜的ZnO納米棒。利用EDS、TEM、XRD和PPMS對樣品進(jìn)行了表征。摻雜前后的樣品均具有較好的結(jié)晶度,且沿c軸生長。Co離子是以替
3、代的形式進(jìn)入ZnO晶格。純ZnO納米棒及Co摻雜量為2%的ZnO納米棒平均直徑約為100nm,平均長度約為200nm;Co含量大于2%的樣品的平均直徑約為10nm,平均長度約為50nm,Co摻雜改變了ZnO納米棒的生長。水熱法制備的一系列不同Co含量摻雜的ZnO納米棒中,純ZnO主要表現(xiàn)為抗磁性,其它摻雜樣品表現(xiàn)為順磁性。隨著Co含量的增加,ZnO樣品的鐵磁性并沒有增加,維持在同一個(gè)水平上,而樣品的順磁性卻隨著Co含量的增加而增加。研究
4、結(jié)果表明,ZnO樣品中Co的摻雜并不是導(dǎo)致鐵磁性的原因。
由于ZnO中鐵磁性的來源可能是Zn或者O位上的缺陷,而且不同的制備工藝能夠制備出缺陷濃度不同的ZnO,從而改變其中的鐵磁性,因此本文中設(shè)計(jì)了不同的工藝制備ZnO材料。我們以Zn(CH3COO)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O為原料,通過微乳液法在低溫下制備了純ZnO和Co摻雜的納米ZnO。純ZnO和Zn0.995Co0.005O樣品主要表現(xiàn)為抗磁性,而其他的樣品
5、主要表現(xiàn)為順磁性。當(dāng)Co含量超過2%時(shí),樣品的順磁性顯著增加。當(dāng)Co含量從0到1%時(shí),鐵磁性迅速增加;Co增加到2%時(shí),鐵磁性又急劇降低;Co繼續(xù)增加時(shí),鐵磁性保持在同一水平。我們用微乳液法制備了2%Cu摻雜的納米ZnO,發(fā)現(xiàn)Zn0.98Cu0.02O和Zn0.98Co0.02O中的鐵磁性幾乎一樣。Cu是非磁性的,而Co是磁性的。這也說明了ZnO中摻雜的Co并不是產(chǎn)生鐵磁性的原因。我們對微乳液法制備的ZnO、Zn0.99Co0.01O和
6、Zn0.98Co0.02O這三個(gè)樣品進(jìn)行了PL光譜檢測。純ZnO中存在大量的氧缺陷。氧缺陷對應(yīng)的峰在Zn0.99Co0.01O中變得更強(qiáng),說明這個(gè)樣品中的氧缺陷的濃度更加大。但是這個(gè)峰在Zn0.98Co0.02O樣品中幾乎消失,說明這個(gè)樣品中氧缺陷的濃度被壓制了。ZnO內(nèi)的缺陷濃度與鐵磁性呈現(xiàn)出一致的變化,說明ZnO的鐵磁性是由氧缺陷引起的。
在本文中,我們用實(shí)驗(yàn)證明了ZnO基稀半導(dǎo)體中的鐵磁性是來自于本征缺陷,而且成功地用微
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