溶胶—凝胶法制备Fe掺杂ZnO基稀磁半导体

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稀磁半导体是指磁性过渡族金属离子或稀土金属离子等部分地无序替代半导体材料中的非磁性阳离子所形成的一类新的半导体材料。它能够同时利用电子的电荷和自旋这两个自由度而有望得以应用在新型的电子信息材料器件之中,因此倍受人们的关注。本文采用溶胶-凝胶手段制备Fe掺杂ZnO基稀磁半导体粉末,在大量工艺探索的基础上,结合样品的结构分析,化合状态,光学特性及磁性行为,对样品的室温磁性状态及来源进行了初步的探讨和分析。首先,探索出具有单一纤锌矿相和室温铁磁性的Fe掺杂ZnO基稀磁半导体粉末样品的制备工艺。实验表明,抗坏血酸在样品制备过程中起着关键的作用,它能够有效地保护Fe2+离子在空气环境中进入ZnO晶格完成无序取代而不被氧化,使样品保持单一的ZnO纤锌矿结构。掺杂元素Fe能够比较均匀的分布在ZnO晶格之中,与理想的无序取代趋于一致,主要以二价形式存在,并且晶胞体积随着Fe掺杂浓度的提高而增大。Fe掺杂ZnO粉末样品的激子带边发光特性较纯ZnO出现红移特性,同时强度随着掺杂浓度增大而减弱。所有掺杂粉末样品都呈现出显著的铁磁特性,并且随着Fe掺杂量的提高,粉末样品的饱和磁化强度也随之不断增大,这可能是由于样品中铁磁性在与反铁磁性的竞争中逐渐随之占据优势所引起的。其次,分别对由n型掺杂物In和p型掺杂物Na与Fe共掺杂的ZnO粉末样品的结构、光学和磁学特性进行了实验研究。结果表明,In或Na与Fe共掺杂的掺杂ZnO基稀磁半导体粉末都保持了原有单一的纤锌矿六角结构相,并且晶胞参数也随着掺杂浓度的提高而有规律地发生变化。同时,在光学特性测量中发现,原有的由带边激子跃迁引起的带边发光峰消失。对于In掺杂样品的磁性测量发现,引入In之后样品原有的铁磁性状态转变成了逐步向顺磁状态转变的反铁磁性态;而引入掺杂物Na之后,原来样品的室温铁磁性得到了显著的提高。这些都可以从铁磁——反铁磁的竞争机制之中得到定性的合理解释。
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