Mn掺杂纳米ZnO稀磁半导体的磁性研究

论文摘要

ZnO基稀磁半导体作为新一代自旋电子器件的制备以及研究探索半导体器件中电荷的自旋的基础材料，对其铁磁性的观测已经极大地引起了人们对自旋电子学的兴趣。自旋电子学为探索半导体器件中电荷的自旋奠定了基础。对稀磁半导体材料实际应用主要的挑战是达到或接近能够与结温度匹配的室温以上的居里温度。在过渡金属掺杂的传统III–V族和II–VI族半导体的研究中，由于Dietl等人的基于平均场理论的预测，过渡金属掺杂的ZnO遂成为被研究最广泛的材料。然而，类似过渡金属浓度超过5%和1020cm-3空穴浓度这样的假设并没有得到应有的关注。具体的预言是建立在空穴间的交换作用是磁有序产生的原因上的。目前很多光学和电子器件是在半导体异质结的基础上实现的，所以ZnO基的稀磁半导体另外一个优点就是能与这些器件更稳定地结合，这就使得之前不能应用的量子结构和半导体的磁性结合具有了潜在的物理和应用的探索的可能。本论文首先对自旋电子学以及稀磁半导体的研究背景做了简单介绍，并综述了稀磁半导体尤其是ZnO基的稀磁半导体的研究现状。同时文中还简要介绍了目前存在的稀磁半导体的铁磁机制的几种理论解释，如RKKY模型，双交换模型以及束缚磁极子模型。在第二章中，我们介绍了ZnO的基本性质和晶体结构及晶格缺陷。并对目前常用的简单的ZnO纳米材料的制备方法如sol-gel法、水热法和共沉淀法等，以及我们在做研究过程中所用到的表征测试和分析方法如XRD、TEM、PL光谱和VSM等。第三章和第四章分别讨论了ZnO中的Mn离子浓度和氧空位的晶体缺陷对ZnO稀磁半导体磁性的的影响。基于此讨论我们对实验中所观测到的现象进行了分析和解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 稀磁半导体及其研究现状
• 1.3 ZnO 基稀磁半导体
• 1.4 稀磁半导体铁磁性起源的几种机制
• 参考文献
• 第二章 ZnO 的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 ZnO 的晶体结构和缺陷
• 2.2.1 ZnO 的晶体结构
• 2.2.2 ZnO 中的缺陷
• 2.3 纳米 ZnO 的制备方法
• 2.3.1 溶胶-凝胶（So1-Gel）法
• 2.3.2 水热法
• 2.3.3 共沉淀法
• 2.4 纳米结构的分析和表征方法
• 2.4.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.3 光致发光光谱（PL）
• 2.4.4 振动样品磁强计（VSM）
• 2.4.5 VSM 的测试过程
• 参考文献
• 第三章 Mn 掺杂浓度对 ZnO 纳米颗粒磁性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 样品制备
• 3.3 测试结果
• 3.4 结果讨论
• 3.5 小结
• 参考文献
• 2 退火对 ZnO 纳米颗粒磁性的影响'>第四章 H₂ 退火对 ZnO 纳米颗粒磁性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备
• 4.3 测试与表征
• 4.5 结果讨论
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢