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稀磁半导体由于同时具有磁性能及半导体性能，在电子材料方面蕴涵着巨大的应用前景，同时，优异性能的ZnO在不同领域得到了广泛的应用，因此，过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体的制备及特性研究具有重大的意义。本文采用固相反应法、溶胶-凝胶法和磁控溅射法制备了过渡金属掺杂ZnO样品，利用X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱、X射线精细结构分析技术、振动样品磁强计、超导量子干涉仪、紫外显微拉曼-荧光光谱仪等测试手段对样品的结构、磁性及发光特性进行了详细地研究。
首先，我们对Mn掺杂ZnO粉末样品的制备工艺进行了探索，研究结果表明，利用固相反应法制备样品，预烧结有利于单一相Zn1-xMnxO样品的生成，而溶胶-凝胶法使Mn在ZnO中的固溶度提高。磁性测量表明，单一相的Zn1-xMnxO粉末样品在室温及低温下均表现为顺磁性，在100K-300K温度范围内样品的M-T曲线遵循居里-外斯定律，低温状态下Zn1-xMnxO中Mn离子之间相互作用为反铁磁性相互作用。
其次，在Mn掺杂ZnO体系研究的基础上，我们又对Co掺杂ZnO粉末和薄膜进行了一系列研究。一方面，采用溶胶凝胶法制备了Co掺杂ZnO粉末，获得了最佳制备工艺，研究结果表明，在Co掺杂的ZnO粉末样品中，Co2+替代了ZnO中的Zn位置，当Co的掺杂量大于2.9at％时，样品室温条件下表现为顺磁性，且Co离子磁矩随掺杂浓度增加而减小，相转变温度随掺杂浓度增加逐渐降低，这种磁性变化规律可以用平均场Zener模型来解释；光致发光结果表明Co的掺入使ZnO晶格内的缺陷增多。另一方面，我们还利用磁控溅射技术制备了ZnO/Co多层膜，样品在室温表现出铁磁性，经分析可知束缚磁极化子的出现可能是样品铁磁性的根源。
再次，我们利用溶胶-凝胶法制备了Cu、Fe单掺杂的ZnO稀磁半导体粉末样品，结构研究结果表明，单一相的Zn1-x(Cu)xO(Zn1-x(Fe)xO)样品中Cu(Fe)以两种离子价态共同存在，替代ZnO中的Zn位置。磁性研究结果显示出样品具有室温铁磁性，Cu(Fe)离子磁矩随掺杂浓度增加而减小，经分析可认为Zn1-x(Cu)xO(Zn1-x(Fe)xO)的铁磁性为其本质特性。值得注意的是，不同气氛下制得的Zn1-xFexO样品结构及磁性是不同的，这可能与样品中氧空穴及缺陷多少有关。光学测试结果表明：由于过渡金属的掺入使ZnO晶格发生变形，因此掺杂后样品的紫外峰及可见光区发光峰均发生了变化。
最后，我们分析了Cu(Fe)的掺入对单掺杂Zn1-x(Fe)xO(Zn1-x(Cu)xO)样品的结构与性能的影响。结果表明，Cu的掺入使Fe掺杂ZnO稀磁半导体的饱和磁化强度减小，Fe的掺入使Cu掺杂ZnO稀磁半导体的饱和磁化强度变大，我们利用载流子调节的双交换机制对样品所表现出的磁性变化进行了解释；同时Cu、Fe的掺入对原来单掺杂样品的光学特性也产生了一定的影响。
本论文中的研究结果不但为单一相的过渡金属单掺杂ZnO样品的获得提供了优化的制备条件，而且在过渡金属掺杂ZnO样品的性能研究中得到了一些有意义的结果，为ZnO基稀磁半导体的未来应用提供了理论依据和实验基础。