Mn掺杂ZnO纳米晶的光学和磁学性质研究

• 作 者: 李金华
• 机 构: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
• 出 处: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
• 发表日期: 2006年01期
• 关键词: 稀磁半导体材料 光学性质 磁学性质 铁磁性 磁性半导体

稀磁半导体材料是自旋电子学领域一个重要分支，由于具有巨负磁阻效应、磁光效应等新颖特性而受到人们的广泛关注。目前实现室温铁磁性是稀磁半导体研究中的重要课题，理论预测在Mn掺杂的ZnO中能够实现室温以上的铁磁性。此外，作为一种宽带隙半导体材料，ZnO的激子束缚能高达60meV，具有优良的光学性质。因此，Mn掺杂的ZnO材料研究在磁性半导体领域广泛开展起来。本论文针对目前ZnO基稀磁半导体材料中的光学性质变化和磁性来源问题，利用溶胶-凝胶方法制备了Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料，并对其光学和磁学性质进行了系统的研究。研究表明，掺杂后材料的光学质量有所提高，并具有室温以上铁磁性。具体工作如下：
1.采用无水乙醇为溶剂合成了平均粒径为27nm的Mn掺杂的ZnO纳米薄膜，讨论了掺杂浓度和退火温度对样品的结构、光学和磁学性质的影响。研究发现随着Mn化学剂量的增加，样品的晶格常数增大，这表明Mn已经进入了ZnO晶格。适量的Mn掺杂可以钝化样品的可见区发射，提高样品的紫外发光效率。磁性研究表明，较低温度退火样品在4K-300K范围内表现为顺磁性，而高温退火的样品由于出现杂相ZnMn2O4表现为室温铁磁性。
2.采用一缩二乙二醇为溶剂制备了直径在2.2-2.8nm的Mn掺杂的ZnO纳米粒子，并研究了其光学、磁学特性。与ZnO相比，掺杂后的样品室温下紫外发光相对增强，可见发光几乎完全消失，这表明掺杂后的样品具有良好的光学性质。同时，通过M-T曲线和M-H曲线，发现样品具有高于室温的居里温度。分析认为样品的室温磁性来自于Mn掺杂的ZnO而不是杂质。
3.制备了高质量的具有六角纤锌矿结构的纳米Zn1-xMgxO薄膜。随Mg含量的增加，晶体的禁带宽度逐渐变大，光学质量提高。为了在提高样品的光学质量的同时获得磁性，制备了Mg、Mn共同掺杂的ZnO纳米薄膜。样品的光学性质与单纯Mn掺杂的ZnO纳米晶薄膜相比有所提高，但不利于形成均匀的替代式掺杂的ZnO，出现了尖晶石结构的Mn3O4和MgMn2O4。分析认为样品的磁性来源于MgMn2O4。