过渡金属掺杂CeO_(2)基稀磁半导体铁磁性能的研究进展

近年来过渡金属掺杂稀磁半导体材料CeO_(2)被大量研究并且取得了许多重要成果。对其铁磁性及起源进行了简单阐述,重点对不同摩尔分数的过渡金属掺杂对CeO_(2)铁磁性的影响进行了介绍,系统介绍了未掺杂和掺杂过渡金属Mn、Fe、Co,以及不同制备方法和条件对CeO_(2)铁磁性能的影响。归纳总结CeO_(2)的铁磁性能,不仅为开发新型稀磁半导体材料提供科学指导,也进一步促进过渡金属掺杂在稀磁半导体材料中的应用。研究表明,合理的掺杂配比和制备工艺对提升CeO_(2)稀磁半导体材料的室温铁磁性有明显效果。最后对该领域的未来发展方向进行了展望。

面向应用的新一代稀磁半导体研究进展

稀磁半导体具有能同时调控电荷与自旋的特性,是破解摩尔定律难题的候选材料之一.我们团队率先提出了稀磁半导体中自旋和电荷掺杂分离的机制,探索并研制了新一代稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料的制备瓶颈提供了有效解决方案.以(Ba,K)(Zn,Mn)_(2)As_(2)等为代表的新一代稀磁半导体,通过等价态的Mn掺杂引入自旋、异价态的非磁性离子掺杂引入电荷,成功实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文将重点介绍几种代表性的新一代稀磁半导体的设计与研制、新一代稀磁半导体的综合物性表征、大尺寸单晶生长以及基于单晶的安德烈夫异质结研制.我们团队通过新一代稀磁半导体的新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的“全链条”模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,充分展现了自旋和电荷掺杂分离的新一代稀磁半导体材料潜在应用前景.

Mn掺杂ZnO稀磁半导体的化学合成及磁性研究

采用化学方法制备了名义组分为Zn0.993Mn0.007O的Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料,并研究了退火温度(Ts=400,600,800℃)对其结构和磁性的影响。结果表明:在退火温度低于600℃条件下,合成的样品为单一纤锌矿结构的ZnO颗粒材料;当退火温度为800℃时,合成的样品中除了纤锌矿结构ZnO外还观察到ZnMnO3第二相的存在。磁性研究表明:经过600℃退火后的样品,其室温铁磁性最强,而经过800℃退火后的样品,其铁磁性几乎消失,并表现为增强的顺磁性。结合对样品的Raman光谱和紫外-可见吸收光谱的分析,表明Mn元素进入了ZnO晶格中并替代了ZnO中的Zn离子。样品的室温铁磁性是源于(Zn,Mn)O的本征特性,并排除了样品中第二相导致其具有室温铁磁性的可能性。

过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体铁磁特性研究进展

ZnO基稀磁半导体是目前研究的热门课题,关于3d过渡金属掺杂(transition-m etal-doped)ZnO的室温铁磁性有很多报道。本文对不同方法和不同条件制备的过渡金属掺杂的ZnO基稀磁半导体的磁性和相应机理进行了综述。

Ni掺杂ZnO基稀磁半导体的性质

采用溶胶-凝胶法制备了具有高温铁磁性的Ni掺杂ZnO DMS 粉末.研究表明,当掺杂浓度小于5%时,样品中没有第二相.微观结构和磁学性质研究认为,样品中存在的结构有:主要的铁磁性的(Zn,Ni)O,一些顺磁性的孤立Ni原子,以及可能存在微量的Ni团簇.而样品的宏观铁磁性主要来源于具有铁磁性的(Zn,Ni)O结构,居里温度约为650K.

过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体的发光特性

ZnO是一种宽带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体,具有良好的光电耦合特性和稳定性,在光、电、磁功能集成等新型器件方面可获得重要应用。近来的研究表明,过渡金属掺杂的ZnO基半导体有望成为实现高居里温度稀磁半导体的候选材料,是目前研究的热点。总结了近几年人们在Fe、Co、Ni、Cu、Mn等过渡金属掺杂的ZnO基稀磁半导体的发光特性研究结果,讨论了过渡金属掺杂后ZnO中观察到的可见发光机制,分析认为过渡金属掺杂ZnO的可见光发射主要与这些发光过渡金属引入后所产生的缺陷有关,而紫外发光峰的变化则与过渡金属掺入后ZnO晶体质量与禁带宽度的改变相关。

Co掺杂ZnO稀磁半导体的微观结构与磁学性质

用溶胶-凝胶方法制备了具有单一纤锌矿结构的Co掺杂ZnO稀磁半导体粉末样品.通过对样品的结构、元素价态、电学和磁学性质的分析,研究了样品室温铁磁性来源.研究结果表明,2次烧结的样品比1次烧结样品的磁化强度明显增强;观测到的铁磁性与ZnO本征缺陷(Zn空位)有关,铁磁性起源于局域化受主(Zn空位)之间的交换相互作用.

Cu-Co共掺杂ZnO稀磁半导体的水热法制备与性能

采用水热法了制备不同掺杂比例的Zn0.95Cu0.05-xCoxO(x=0,0.025,0.05)稀磁半导体材料。X射线衍射(XRD)表明所有样品具有结晶良好的纤锌矿结构,随着Co掺杂量的增加点阵常数有所增大。高分辨透射电子显微镜(HRTEM)发现所有样品形貌为纳米棒状结构,分散性良好。X射线能量色散分析仪(EDS)测试结果说明样品中Cu2+、Co2+是以替代的形式进入ZnO晶格中。光致发光光谱(PL)研究发现在所有样品中都存在较强的紫外发光峰、蓝光发光峰和绿光发光峰,而且峰位发生蓝移。振动样品磁强计(VSM)研究结果表明掺杂样品在室温条件下存在具有铁磁性。

非磁性元素掺杂ZnO稀磁半导体研究进展

ZnO基稀磁半导体的磁性来源和机理一直是研究的热点和难点。传统的磁性3d过渡族元素掺杂ZnO容易形成铁磁性的第二相,而非磁性元素掺杂可以很好的避免这一弊端,是研究稀磁半导体磁性来源和机理的理想体系。而且理论计算和实验方面已经报道了室温以上的铁磁性。本文从实验上和理论上综述了非磁性元素掺杂ZnO基稀磁半导体最近的研究进展。

Fe掺杂ZnO稀磁半导体的结构与磁性

以Fe(NO3)3.9H2O与Zn(NO3)2.6H2O为原料,与适量的柠檬酸配制成溶液,采用溶胶-凝胶(sol-gel)法合成干凝胶前驱体,将前驱体在空气及氩气气氛中烧结得到Zn1-xFexO样品,并用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和振动样品磁强计(VSM)对所制备样品的结构和磁性进行研究.结果表明,在氩气中烧结时,Fe在ZnO中的掺杂摩尔分数小于4%,在空气中烧结时,Fe在ZnO中的掺杂摩尔分数约为10%,在两种气氛下制备相同掺杂摩尔分数样品的磁性不同,是由于Fe在样品中所处的价态不同,从而影响了样品的结构及磁性.

过渡金属(Mn^(2+)、Ni^(2+)、Fe^(3+)、Cu^(2+))掺杂ZnO基稀磁半导体的制备及性质

利用溶液腐蚀法制备了Mn2+、Ni2+、Fe3+、Cu2+离子掺杂的ZnO基稀磁半导体。XRD表明掺杂后的ZnO仍然保持单一的纤锌矿结构,没有任何杂质相产生。由紫外-可见光反射谱可知掺杂后吸收边发生了红移。掺杂前ZnO的带隙为3.20eV,对样品分别掺入Mn、Ni、Fe和Cu后的带隙分别为3.19eV、3.15eV、3.08eV和3.17eV。掺杂后样品的室温PL谱除了紫外发射峰外,对于Mn掺杂的样品还在蓝光区域出现了2个分别位于424nm和443nm的发射峰,Fe掺杂的样品出现了一个位于468nm的微弱发射峰,Cu掺杂的样品出现了位于469nm及535nm的很宽的发射峰。室温磁滞回线显示掺杂后样品有明显的铁磁性,掺入Mn、Ni、Fe和Cu样品的剩余磁化强度(Ms)分别为0.3902×10-3emu/cm3、0.454emu/cm3、0.372emu/cm3和0.962×10-3emu/cm3,矫顽力分别为47Oe、115.92Oe、99.33Oe和23Oe。经分析室温铁磁性来源于缺陷调制的Mn2+-Mn2+长程铁磁交换相互作用。

过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体分析技术的研究现状

过渡金属(TM)掺杂获得铁磁性ZnO基稀磁半导体(DMSs)的报道很多,但其铁磁性是否有微量磁性TM原子团簇或第二相的贡献存在争议。从磁性测量和磁性TM原子团聚及第二相的排除两方面综述了TM掺杂ZnODMSs本征铁磁性检证的常用方法,着重分析了元素特征分析技术在过渡金属掺杂ZnO中的应用。

过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的研究进展

简要介绍了ZnO基稀磁半导体(DMSs)材料的最新研究进展,指出了该领域的研究热点和存在的问题,提出了可能的解决方案,并在此基础上对DMSs的潜在应用前景进行了论述。

Mn掺杂ZnO基稀磁半导体材料磁性研究进展

ZnO基稀磁半导体是目前研究的热门课题,其中关于Mn掺杂ZnO的磁性研究有很多报道。文章对不同方法及条件制备的Mn掺杂以及Mn与其它元素共掺杂ZnO基稀磁半导体的磁性和相应机理进行了整理和归纳,总结发现,铁磁性可能源于样品的内禀性、晶格中Zn替代、缺陷、载流子调制等。

Fe掺杂的GaN稀磁半导体磁性分析

阐述在稀磁半导体材料中,Fe离子浓度越高,稀磁半导体的晶体质量以及晶格取向所受到的影响就越严重。探讨Fe掺杂浓度的稀磁半导体材料,在任何温度下都能够展现出比较强的铁磁性。

Co掺杂ZnO基稀磁半导体材料磁性研究进展

ZnO基稀磁半导体是目前研究的热门课题,其中关于Co掺杂ZnO的磁性研究有很多报道。本文对不同方法及条件制备的Co掺杂ZnO基稀磁半导体的磁性和相应机理进行了归纳总结,分析发现铁磁性可能源于载流子调制、晶格中的氧空位、杂质相、交换作用等。

溶胶-凝胶法制备Fe掺杂ZnO基稀磁半导体的结构与磁性

采用了添加抗坏血酸作为还原剂的改良溶胶-凝胶法制备了单相的稀磁半导体Zn1-xFexO(x=0.01、0.05、0.07、0.10)粉末。X射线衍射谱(XRD)显示所有Zn1-xFexO样品在室温下都呈现出P63mc的六角晶格结构,同时单位晶胞体积呈现出随着Fe离子掺杂量的提高而增大的趋势。X射线光电子能谱(XPS)证明在Zn1-xFexO晶格中的掺杂元素Fe主要以Fe2+的方式存在。比饱和磁化强度(sσ)随Fe掺杂量的增加而提高,并在样品Zn0.90Fe0.10O中获得最大值0.43Am2/kg,定性地解释了铁磁性的来源。

过渡金属掺杂ZnO形成稀磁半导体的研究进展

由于稀磁半导体(DMS)潜在的应用前景,近年来许多研究小组开始了对过渡金属(TM)掺杂ZnO形成稀磁半导体的研究。综述了TM掺杂ZnO的制备以及TM掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响,特别是对磁学性质的影响。

质子辐照对Yb掺杂ZnO稀磁半导体薄膜缺陷与磁性的影响

采用电感耦合等离子体增强物理气相沉积法制备了Yb掺杂ZnO薄膜,并采用不同剂量质子对薄膜进行了辐照实验,重点采用X射线衍射、光电子能谱、正电子湮灭图谱和磁测量系统对Zn_(0.985)Yb_(0.015)O薄膜的缺陷和磁性能进行了研究。磁性测试结果表明:Zn_(0.985)Yb_(0.015)O薄膜经质子辐照后其饱和磁化强度随辐照剂量的增加逐渐增大,当辐照剂量为6×10^(15) ions/cm^2时,其饱和磁化强度达到最大,随着辐照剂量的进一步增加,其饱和磁化强度反而变小。正电子湮灭图谱结果显示薄膜中主要存在锌空位相关的缺陷,并且锌空位相关的缺陷随辐照剂量的变化与饱和磁化强度随辐照剂量的变化相一致。本研究从实验上揭示了在含有各种缺陷的Yb掺杂ZnO薄膜中,锌空位缺陷是影响质子辐照Zn_(0.985)Yb_(0.015)O薄膜磁性的主要原因。

Al-N共掺杂ZnO:Mn稀磁半导体薄膜的结构与性能

采用反应磁控溅射法在室温下沉积前驱体氮化物,在大气环境、500℃下氧化退火30min后获得了Al-N共掺杂ZnO:Mn薄膜。研究了直流与射频反应磁控溅射对氧化退火薄膜结构和性能的影响。结果表明:两种工艺制备的退火薄膜均具有ZnO纤锌矿结构,且均为n型导电。射频溅射退火样品具有很好的c-轴择优取向,其表面光滑平整,表面粗糙度RMS值为1.2nm,且具有室温铁磁性,饱和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)分别为46.8A·m–1和4.9×103A·m–1;而直流溅射退火样品表面凹凸不平,RMS值为25.8nm,室温下是反铁磁性的。