Fe、Cu共掺杂In2O3稀释磁性半导体的结构和室温铁磁性研究

Fe、Cu共掺杂In2O3稀释磁性半导体的结构和室温铁磁性研究

论文摘要

氧化铟(In2O3)是一种具有立方铁锰矿型结构宽带隙(3.75 eV)半导体。通过引入氧空位和过渡金属元素掺杂,In2O3具有良好的室温铁磁性、导电性、透光性、气敏性且易于与多种半导体材料实现集成化,在许多器件应用领域以及基础性研究上均有极大的应用前景。本论文通过高温固相反应和电子束真空蒸镀法连续制备出(In0.9-xFe0.1Cux)2O3(O≤x≤0.03)块体和薄膜材料。采用X射线衍射仪、振动样品磁强计、扫描电镜、Hall效应测试仪及紫外—可见光分光光度计等手段表征了样品的晶体结构、磁性能、表面形貌、电输运及光性能。重点研究了Cu的掺杂浓度和工艺条件对块体和薄膜样品结构和性能的影响;并初步探讨了掺杂离子Cu在体系中的作用及可能的磁性来源。结果表明:Cu的掺入对块体样品中Fe的溶解度有影响,当x达到0.01(即Cu含量为1 at%)以后,出现杂质相In2Fe2CuO7。主相的晶格常数随着x值先减小后增大,在x=0.01时达到最小晶格常数1.006 nm。无Cu掺杂和高掺杂时晶块表现为室温顺磁性,适量的Cu掺杂时为室温铁磁性。随着x值增大,饱和磁矩呈现先增大后减小的变化趋势,在x=0.01时获得最大饱和磁矩0.6 emu/g。以x=0.01薄膜样品进行正交试验,考察了工艺条件对薄膜样品结构和性能的影响,并找到一组制备薄膜样品的较优工艺参数,即基底温度为400℃,氧氩流量比为10/0,蒸镀时间为20 min。研究发现:Cu在薄膜样品中具有较大的溶解度,随着Cu掺杂浓度的进一步增加,薄膜样品均未出现明显的杂质相;而饱和磁矩有增大的趋势,并在x=0.02处获得最大饱和磁矩123.8 emu/cm3。结合块体和薄膜样品的试验结果,表明磁性来源与掺杂和缺陷引起的载流子浓度的变化密切相关。体系中自旋电子之间是通过载流子进行耦合的。Cu的掺入会改变体系中的变价磁性阳离子的数量,这些磁性阳离子进入基体点阵替代In3+的位置引起的阳离子缺陷会导致邻近氧的电子缺陷,引起体系中载流子浓度的变化,对样品的磁交换作用具有重要的影响,从而影响了样品的磁性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 稀释磁性半导体的研究概况
  • 1.1.1 稀释磁性半导体的基本理论
  • 1.1.2 稀释磁性半导体的相互交换作用
  • 1.1.3 稀释磁性半导体的磁性来源
  • 1.1.4 稀释磁性半导体的物理性质
  • 1.1.5 稀释磁性半导体的应用前景
  • 2O3基稀磁半导体的概述'>1.2 In2O3基稀磁半导体的概述
  • 2O3的结构'>1.2.1 In2O3的结构
  • 2O3基稀磁半导体的基本性质'>1.2.2 In2O3基稀磁半导体的基本性质
  • 1.3 本论文研究的目的、意义和主要研究内容
  • 1.3.1 论文研究的目的和意义
  • 1.3.2 主要研究内容
  • 1.4 本章小结
  • 第2章 实验与测试
  • 2O3多晶块体'>2.1 高温固相法制备Fe、Cu共掺In2O3多晶块体
  • 2.1.1 高温固相烧结方法简介
  • 2.1.2 实验原料与设备
  • 2.1.3 样品的制备
  • 2O3薄膜'>2.2 电子束真空蒸镀法制备Fe、Cu共掺In2O3薄膜
  • 2.2.1 电子束真空蒸镀方法简介
  • 2.2.2 实验原料与设备
  • 2.2.3 样品制备
  • 2.3 样品的表征
  • 2.3.1 晶体结构——X射线衍射法(XRD)
  • 2.3.2 形貌和成分——扫描电镜(SEM)和X射线能谱分析仪(EDS)
  • 2.3.3 膜厚——纳米台阶仪
  • 2.3.4 磁性能——振动样品磁强计(VSM)
  • 2.3.5 电性能
  • 2.3.6 光性能——紫外-可见光谱仪
  • 2.4 本章小结
  • 0.9-xFe0.1Cux)2O3块体的结构和性能'>第3章 高温固相法制备(In0.9-xFe0.1Cux)2O3块体的结构和性能
  • 3.1 晶块的结构和性能
  • 3.1.1 晶体结构
  • 3.1.2 磁性能
  • 3.1.3 成分
  • 3.2 Cu的作用及可能的磁性来源
  • 3.3 应用前景
  • 3.4 本章小结
  • 0.9-xFe0.1Cux)2O3薄膜的结构和性能'>第4章 电子束真空蒸镀制备(In0.9-xFe0.1Cux)2O3薄膜的结构和性能
  • 4.1 工艺参数对样品结构和磁性能的影响
  • 4.1.1 基底温度
  • 4.1.2 氧氩流量比
  • 4.1.3 膜厚——蒸镀时间
  • 4.2 掺杂浓度
  • 4.2.1 晶体结构
  • 0.9-xFe0.1Cux)2O3薄膜的磁性能'>4.2.2(In0.9-xFe0.1Cux)2O3薄膜的磁性能
  • 0.9-xFe0.1Cux)2O3薄膜的光性能'>4.2.3(In0.9-xFe0.1Cux)2O3薄膜的光性能
  • 4.2.4 实验结果与讨论
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 结论与展望
  • 5.1 结论
  • 5.2 研究工作的展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录
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