SiC基稀磁半导体纳米材料的微结构和磁性研究

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稀磁半导体同时利用电子的电荷与自旋属性,使得人们对电子自旋器件产生了很大的兴趣。稀磁半导体一般通过过渡金属掺杂半导体中而得到。作为一种重要的稀磁半导体材料,SiC具有宽带隙、高临界击穿电压、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,并在高能、高频、高温电子器件上有相对成熟的发展以及应用工艺,使其在稀磁半导体材料中具有潜在的应用前景。人们已采用不同的方法制备出SiC基稀磁半导体材料。但是,这些不同的方法制备出的样品所表现的铁磁性呈现出广泛的温度范围,并且其铁磁性的形成机制还不清楚。最近几年,许多科研工作者热衷于一维纳米结构材料及相关器件的研究。稀磁半导体纳米线或者纳米管易于制作自旋电子器件的材料。纳米线可能避免位错和晶格匹配作用的影响,提供稳定的热力学特征和典型的单晶结构。一维铁磁性纳米线可能限制自旋的单轴旋转,使其成为自旋电子器件潜在的候选材料。因此,研究稀磁半导体的磁性方面纳米线比薄膜存在很多一些优势。目前,大部分对稀磁半导体SiC材料的研究主要集中在块材或者薄膜方面。很少有科研工作者对过渡金属掺杂SiC纳米线进行制备、微结构和磁性的研究。在本文中,我们的研究工作就是通过控制掺杂元素、掺杂量来制备出具有室温铁磁性的SiC纳米线样品。详细研究工作简单介绍如下:(1)采用溶胶-凝胶碳热还原法制备未掺杂和Mn掺杂3C-SiC纳米颗粒。利用扫描电子显微镜进行形貌分析,其制备出的纳米颗粒分别为60纳米和100纳米。通过超导量子干涉仪对Mn掺杂3C-SiC纳米颗粒进行磁性测试分析,磁性测试表明其具有室温铁磁性和自旋玻璃性特征。(2)利用高纯硅粉、高纯二氧化硅、高纯石墨粉和高纯锰粉为原料,适当的压强、气流量、温度条件下,在高温管式炉中制备出未掺杂与Mn掺杂SiC纳米线,通过X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪对其纳米线进行物相结构的分析;利用扫描电子显微镜及其附件X射线能量色谱仪进行形貌与元素化学成份的分析;通过高分辨透射电子显微镜来分析样品的形貌、微结构特征;采用超导量子干涉仪对其进行磁性测试分析,测试结果表明其制备出的纳米线是3C-SiC。其纳米线的直径范围在30-200纳米,长度达到几十微米。通过高分辨透射电子显微镜的高分辨图谱和选区电子衍射花样结合在一起表明纳米线是沿着[111]方向生长,其晶格条纹间距大约为0.254nm。磁性测试表明Mn掺杂SiC纳米线具有室温铁磁性特征,关于磁性的来源我们认为Mn的掺杂连同缺陷共同影响局域磁矩和聚集磁化。除此以外,由于纳米线具有较高的表面积与体积比,其铁磁性的产生也可能与存在的未补偿自旋和表面各向异性有关。(3)采用高纯SiO、高纯Co粉、高纯碳纳米管和高纯石墨粉成功的制备出了不同含量的Co掺杂SiC样品。通过对其样品的物相结构、形貌、元素化学成份和微结构进行测试分析,测试结果表明所制备出的样品是Co掺杂3C-SiC纳米线。其纳米线的直径范围在20-150纳米,长度达到几十微米。通过高分辨透射电子显微镜的高分辨图谱和选区电子衍射花样结合一起表明纳米线是沿着[111]方向生长,其晶格条纹间距大约为0.253nm。由于Co的掺杂量不同,磁性测试结果表明不同Co掺杂SiC纳米线分别具有铁磁性、顺磁性以及抗磁性的特征。关于磁性的来源需要进一步的分析研究。
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