【摘 要】
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稀磁半导体(DMSs)材料表现出许多与自旋相关的磁输运性质和光学性质,在光电子器件和自旋电子学等领域表现出了广阔的应用前景。但其磁性本质来源没有真正解决且光学性质没有系统深入研究,阻碍了此新材料在实际生活中的广泛应用。本文利用CVD制备了GaN纳米结构、Mn掺杂GaN纳米结构和Ga_2O_3纳米结构,并采用微区Raman光谱和微区PL光谱等光学手段对它们进行了研究。主要创新结果如下:(1)采用小区
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稀磁半导体(DMSs)材料表现出许多与自旋相关的磁输运性质和光学性质,在光电子器件和自旋电子学等领域表现出了广阔的应用前景。但其磁性本质来源没有真正解决且光学性质没有系统深入研究,阻碍了此新材料在实际生活中的广泛应用。本文利用CVD制备了GaN纳米结构、Mn掺杂GaN纳米结构和Ga2O3纳米结构,并采用微区Raman光谱和微区PL光谱等光学手段对它们进行了研究。主要创新结果如下:(1)采用小区域温控CVD合成了高质量、缺陷少的GaN纳米线。发现了当生长时间较短时,样品缺陷多,激子发光强度较弱,缺陷态发光相对较强;当生长时间长达3小时时,样品缺陷少,激子发光强度强,缺陷态发光明显减弱。单根纳米线Raman谱中出现E2L、A1(TO)、E1(TO)、E2H、A1(LO)峰,说明GaN纳米线是纤锌矿结构。(2)采用同上方法制备了掺杂均匀的Mn掺杂GaN纳米线。研究发现:Mn掺杂GaN纳米线可以显示室温铁磁性;探究GaN纳米线和Mn掺杂GaN纳米线近带边发光峰特征,通过拟合观察到此峰是由自由激子发光峰和束缚激子发光峰组成,且Mn掺杂GaN纳米线的束缚激子发光峰相比于纯GaN纳米线的束缚激子发光峰强度增强,峰位红移,这一特征明显与纳米线中激子磁极化子的形成有关。随着激发功率升高,大量Mn离子掺杂GaN纳米线的束缚激子发光峰红移;单根Mn掺杂GaN纳米线的PL光谱中存在由Mn离子跃迁产生的发光峰和由Mn离子铁磁聚集产生的发光峰,这与大量样品测量的结果相同;随着Mn含量增加,掺杂GaN纳米线的Raman振动A1(LO)模式向长波数方向移动,这充分证实与GaAs:Mn一样,Mn(II)离子掺入GaN晶格会导致电荷不平衡,引入电荷效应,有助形成电荷密度态或局域等离子体,其沿直线轴向传播,导致轴向极化声子红移;随着测试温度升高,Raman振动模式E2H和A1(LO)模式峰向短波数移动,且半峰宽变宽,一方面由于Mn离子的掺杂打破了晶格平移对称性,磁性离子与该声子相互作用增强,降低了其极化响应,另一方面由于纵向极化的局域等离子体的产生,对垂直极化的声子形成屏蔽效应。(3)在CVD制备GaN纳米结构时在其下游区得到副产品表面光滑的Ga2O3纳米结构:纳米带、纳米棒和纳米线。EDS分析其组成成分,得出其生长机理为气-液-固机制。单根纳米线Raman谱有10个清晰Raman模式,证明是β-Ga2O3纳米线。
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