過渡元素摻雜納米鋅基半導體材料的合成及摻雜行為對光-磁特性影響研究.pdf

1、鋅基半導體（如ZnO、ZnS和ZnFe2O4等）作為半導體家族的重要組成部分，在光、電、磁等各方面顯現出獨特的優(yōu)異性能，因而在光電器件、自旋電子器件等領域展現出巨大的應用前景。元素摻雜是提高材料自身物化性質和器件性能的有效手段之一。在鋅基半導體的磁性研究方面:鋅基半導體通常不具有磁性，而摻雜過渡族金屬元素會使其產生微弱磁性，是典型的稀磁半導體。當前有關ZnO稀磁半導體薄膜材料的研究主要局限于將樣品沉積在平面基底上。然而，在ZnO薄膜生長

2、過程中，由于襯底和薄膜本身的晶格失配和熱膨脹系數不匹配，不可避免地會在界面處產生殘余應力，從而影響樣品的結構和性能。遺憾的是，目前研究薄膜應力與稀磁半導體磁學性能關系的報道很少。將ZnO稀磁半導體材料交替沉積在有序膠體球陣列上，可以減小ZnO和基底之間的晶格失配，而雙元素共摻雜可以提高ZnO稀磁半導體的載流子濃度。因此，本文利用磁控濺射法將Cu、Co共摻雜ZnO稀磁半導體薄膜沉積在不同尺寸的有序膠體球陣列基底上，研究結構、應力、膠體球曲

3、率和ZnO稀磁半導體光磁性能的影響。在鋅基半導體的光學性能研究方面:實現ZnO的三基色發(fā)射是制作ZnO白光LED的必要條件，而稀土元素摻雜是引發(fā)ZnO單基色發(fā)射的有效手段，然而其發(fā)光機制尚不明確。而且，稀土元素摻雜特殊形貌ZnO的報道不多，尤其是類石墨烯狀超薄納米片結構的報道則更少，而大比表面積引起的能帶變化會更有利于揭示稀土元素在ZnO基質中的內在發(fā)光機制。因此，本文制備了Eu3+和Y3+摻雜的ZnO納米結構材料，尤其是制備出了Eu3

4、+摻雜的石墨烯狀納米薄片，并研究了Eu3+和Y3+摻雜行為對ZnO發(fā)光特性的影響。本文在上述兩個方面取得的研究結果如下:
　　為了減小ZnO稀磁半導體薄膜和基底之間的晶格失配，利用磁控濺射法分別在Si襯底以及聚苯乙烯球襯底上制備了Cu、Co共摻ZnO多層膜。所有樣品均具有纖鋅礦結構，且不存在雜相。在聚苯乙烯球襯底上制備得到的Cu、Co共摻ZnO多層膜具有雙軸壓應力。光吸收光譜測試結果表明隨著襯底曲率的減小，樣品的峰位發(fā)生了藍移?？?/p>

5、見光發(fā)射都是與缺陷相關，且光譜的發(fā)光強度隨著曲率的增加而減小。Cu、Co共摻ZnO多層膜表現為鐵磁性，主要歸因于Cu2+的3d能級劈裂。本研究對于揭示稀磁半導體的磁性來源具有重要啟示性意義。不僅為自旋場效應晶體管和自旋發(fā)光二極管等微型化半導體自旋電子器件的開發(fā)，而且為信息存儲、處理和顯示的集成化奠定了理論和實驗基礎。
　　為了提高ZnO稀磁半導體的載流子濃度，本文利用溶膠-凝膠方法制備了Cu、Co及Cu、Al共摻雜ZnO稀磁半導體

6、納米顆粒，研究了摻雜元素濃度、燒結溫度和燒結氣氛對ZnO稀磁半導體結構、光學和磁學性質的影響。研究結果表明，Zn0.98Cu0.02O和Zn0.95Cu0.02Co0.03O樣品都是單一相、纖鋅礦結構。隨著Co的摻入，紫外發(fā)射峰明顯被壓制，可見光發(fā)射峰峰強增強。Zn0.98Cu0.02O和Zn0.95Cu0.02Co0.03O樣品在室溫下均具有鐵磁性，其鐵磁性來源是由于鈷離子和銅鈷離子進入到ZnO晶格引起了缺陷的增加，隨著Co離子的摻入

7、，樣品的飽和磁化強度有所提高。隨燒結溫度的升高，可見光發(fā)射峰強度增強并且峰位發(fā)生了紅移，樣品的飽和磁化強度明顯增大。相對于空氣氣氛下燒結的樣品，氬氣氣氛燒結的Zn0.97Cu0.02Al0.01O樣品的晶化程度、氧缺陷濃度和飽和磁化強度均有所提高。該研究結果證實通過對載流子濃度和磁性離子濃度的控制，可以改善稀磁半導體的光學和磁學性能，該研究為促進稀磁半導體在自旋電子學器件的應用提供了理論和實驗依據。
　　為了在ZnO納米結構材料中

8、實現單基色發(fā)射，本文通過水熱法成功合成了ZnO∶Eu3+石墨烯狀納米薄片。大的比表面積所引起的表面能帶向上彎曲使ZnO和ZnO∶Eu3+紫外發(fā)光峰紅移，且隨著Eu3+摻雜濃度的增大，613 nm處源于Eu3+的5D0-7F2躍遷的紅色發(fā)光峰強度逐漸增強。激發(fā)功率密度調制光致發(fā)光譜證實ZnO∶Eu3+石墨烯狀納米薄片內確實存在表面能帶彎曲現象，且ZnO基質以氧空位為能量儲存中心與Eu3+之間進行共振能量傳遞。盡管在ZnO∶Y3+納米顆粒中

9、未發(fā)現Y3+的特征發(fā)光峰，但是Y的摻雜使得ZnO中的氧空位、氧填隙等本征缺陷重新分配，深能級發(fā)射峰的最大峰強位置逐漸從539 nm移動到598 nm。該研究結果不僅為ZnO白光二極管和全色平板顯示等器件提供了后備材料，也為進一步改善稀土摻雜ZnO納米結構的發(fā)光性能提供了實驗依據。
　　鐵酸鋅(ZnFe2O4)半導體通常表現為超順磁性，為了引入鐵磁性，本文采用溶膠-凝膠法將稀土元素Eu和Nd摻入到ZnFe2O4晶格中，合成了具有鐵磁

10、性的ZnFe1-xRExO4（RE=Eu和Nd）納米顆粒。隨著Eu3+摻雜濃度的增加，ZnFe2-xEuxO4納米顆粒的矯頑力和飽和磁化強度都有所增大。隨著燒結溫度的升高，ZnFe1.97Eu0.03O4矯頑力增大。同時，因為Nd3+具有較大的自旋和軌道磁矩，ZnFe1.97Nd0.03O4納米顆粒的飽和磁化強度和矯頑力均比ZnFe1.97Eu0.03O4大。該研究結果為人們進一步調控ZnFe2O4的磁學性能提供了實驗依據。