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ZnO基稀磁半导体在实现电荷和自旋的同时操纵方面有极大的应用价值,是制备自旋电子学器件的首选材料,如何研制出具有室温铁磁性的ZnO稀磁半导体,使其制备的自旋器件在室温下能够应用,是当前人们研究的热点。尽管有许多关于其室温铁磁性的报道,但是这些观察到的铁磁性是源于掺杂离子的替位效应还是其偏析物一二次相或团簇,存在较大争议。究其原因是常规分析手段(如XRD)很难探测到稀磁半导体中低浓度掺杂离子的详细结构信息,而磁性来源和ZnO稀磁半导体的微观结构是密切相关的。所以选择灵敏度高的分析手段来研究ZnO稀磁半导体的微观结构是了解其磁性来源的关键。另外,为了避免二次相或团簇问题,选择非磁性元素(如Cu)作为掺杂剂,目前是人们关注的焦点。本论文选择Cu作为掺杂剂并使用高灵敏的同步辐射X射线衍射(SR-XRD)和X射线吸收精细结构谱(XAFS)结合质子激发X射线荧光技术(PIXE)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman Spectrum)和交变梯度磁强计(AGM)等多种分析手段对Zn1-xCuxO稀磁半导体的微观结构和磁性进行详细研究,得到了一些有价值的研究结果。 1.使用经过恢复和改造的磁控溅射镀膜机,采取射频磁控溅射和复合靶技术,在蓝宝石(Al2O3)衬底上制备了一系列Zn1-xCuxO薄膜。 2.用PIXE测量了样品中Cu的含量,结果表明样品中除了Cu,没有如Mn、Fe、Co和Ni等铁磁性杂质。普通XRD和SR-XRD结果均表明样品呈现ZnO六角纤锌矿结构,没有发现Cu团簇和CuO、Cu2O等二次相。同步辐射扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)结果表明Cu替位Zn进入了ZnO晶格,但是替位使Zn1-xCuxO处于中等无序状态,这也被Raman光谱所证实。XPS谱中的Cu2+独有的卫星峰,表明样品中存在+2价的替位Cu,+2价的Cu能够提供局域磁矩。 3.交变梯度磁强计(AGM)测量结果表明Zn1-xCuxO薄膜样品在室温呈现明显的铁磁行为。根据微观结构分析结果,认为所观察到的室温铁磁性应该是本征的、内在的而非外源性的。由于样品的长程有序受到一定程度的破坏并且Cu有可能分布不均匀,Cu离子提供的磁矩不能被充分利用,导致样品的铁磁性较小。考虑到样品的电学性质,样品的铁磁性应该用缺陷调节机制来解释。