D-D中子及γ射线辐照单晶TiO2和ZnO的磁光特性研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mxl19860326
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稀磁半导体(DMS)兼具半导体和磁性材料的性质,可以把信息处理与存储功能集成在单一元件上,DMS可以在室温下表现出室温铁磁性,在自旋电子学等领域具有广阔的应用前景。TiO2和ZnO是宽禁带半导体,大量研究表明TiO2和ZnO基DMS可以表现出室温铁磁性,目前对这一铁磁性的来源尚存在争议,主要是磁性第二相与本征缺陷的矛盾。因此,系统性地开展本征缺陷对TiO2和ZnO室温铁磁性的影响研究,对阐明DMS的磁性来源,揭示室温铁磁性的产生机制有重要意义。本文采用D-D中子和γ射线辐照的方式,探索本征缺陷对TiO2和ZnO微结构、磁光特性的影响,阐明本征TiO2和ZnO体系的室温铁磁性来源,主要工作和结果概括如下:利用D-D中子辐照单晶金红石TiO2,辐照注量分别为0 ions/cm2、5×109ions/cm2、1×10100 ions/cm2、2.5×10100 ions/cm2、5×10100 ions/cm2,分析了辐照前后样品结构及磁光特性的变化。金红石TiO2是由浮区法制备的,未辐照TiO2的铁磁性由VO引起。D-D中子与原子核发生弹性碰撞,主要在样品中产生氧空位(VO)、钛空位(VTi)等点缺陷,缺陷的浓度和类型与中子辐照注量有关。饱和磁化强度(Ms)随辐照注量增加先增后减,注量进一步增大时,饱和磁化强度增加。为了明确室温铁磁性的具体来源,使用CASTEP模块计算了含有本征缺陷TiO2的态密度和电荷布居。结果发现,VO引入2.39μB磁矩,Ti3+和F+分别引入1.28μB磁矩、1.70μB磁矩,VTi引入4μB磁矩。结合实验与模拟计算结果,随着中子注量的增加,越来越多的VO结合电子形成F+,F+引入较小磁矩,从而导致Ms减小;中子注量进一步增加,VTi起主要作用,Ms随之增大。本征缺陷VO、F+和VTi是TiO2体系的室温铁磁性来源。利用D-D中子辐照单晶ZnO,辐照注量分别为0 ions/cm2、5×109ions/cm2、1×10100 ions/cm2、2.5×10100 ions/cm2,分析了辐照前后样品结构以及磁光特性的变化。D-D中子主要与单晶ZnO中的Zn或O原子核发生弹性碰撞,辐照后ZnO内的缺陷可能是VO、锌空位(VZn)和锌氧双空位(VZnO)。结果发现,辐照并未损坏单晶ZnO的晶体结构,所有的ZnO样品均表现出室温铁磁性,Ms随注量先增后减,辐照注量为5×109 ions/cm2的ZnO的Ms最大,ZnO的带隙随中子注量的增加而逐渐减小。利用CASTEP模块计算ZnO中本征空位缺陷的态密度和电荷布居,VZn引入2.12μB磁矩,只有处于最邻近位置的VZn和VO形成的VZnO才会引入2.09μB磁矩,单个VO不会引入磁矩,而处于特定位置的3 VO团可以引入1μB的磁矩。结合理论计算与实验分析可知,与D-D中子辐照TiO2不同,VZn是D-D中子辐照ZnO体系室温铁磁性的来源。利用60Coγ射线辐照TiO2,辐照剂量分别为0 Gy、2×103Gy、2×104Gy、4×104 Gy、8×104 Gy,分析了辐照前后样品结构及磁光特性的变化。由于Ti的离位阈能比O大很多,γ射线辐照金红石TiO2,产生的大多是VO缺陷,可以单独研究VO对TiO2室温铁磁性的影响。γ射线辐照后样品中的缺陷主要有VO、Ti3+,辐照前后的样品均表现出室温铁磁性,在辐照剂量为4×104 Gy时达到最大值。由于Ti3+离子是顺磁性的,样品中的室温铁磁性主要由VO引起。结合D-D中子辐照TiO2的结果可知,利用γ射线辐照金红石TiO2,明确了VO对TiO2室温铁磁性的贡献,且VO的浓度存在最大值。
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