Co,Cu掺杂ZnO稀磁半导体粉末的结构及磁性研究

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稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors, DMSs)材料一般是指在化合物半导体中,由具有磁性的过渡金属离子部分地替代非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料。这种材料能同时利用电子的电荷和自旋两种属性,具有优异的磁性、磁光性能、磁电性能。在高密度非易失性存储器,半导体集成电路,量子计算机等众多领域有着广阔的应用前景。最近,Dietl等人根据平均场理论预言ZnO基稀磁半导体材料具有铁磁性且居里温度可达到室温以上,而且ZnO作为母体材料在应用方面也有很多优点。因此,ZnO基稀磁半导体成为了研究的热点。本论文采用一种湿化学法(溶胶-凝胶法)制备了Cu掺ZnO、Co掺ZnO和CoCu共掺ZnO三个系列的样品,分别采用X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)、透射电镜(Transmission electron microscopy, TEM)、X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)和振动样品磁强(Vibrating sample magnetometer, VSM)等测试手段对样品的结构和磁性进行了表征。通过研究发现,在所有粉末样品中Cu的掺杂浓度比较低,一般低于4%,而Co的掺杂浓度相对较高,一般可达到10%。XRD结果显示所有的样品都没有杂相,是纤锌矿结构,这与TEM给出的结果是相一致的。由于样品热处理时温度较高,形成的颗粒尺寸较大,但是这并没有影响样品的结构。XPS结果显示样品中Cu和Co都是以+2价的形式存在的,因此,它们可以提供一个净磁矩,同时证明了样品中不存在Cu团簇和Co团簇杂相。我们在确定没有铁磁杂相的情况下,进行了磁性测量。磁性测量结果表明Cu掺杂的样品都具有一定的铁磁性,而且在低温时样品呈现顺磁性。在Ar气中600 oC退火2h后,样品的磁性变得比退火前更加显著,因此,我们推断氧空位(VO)对磁性的起源有一定的作用。对于Co掺杂的样品,只有在低掺杂的情况下才具有铁磁性。由于磁性并没有随掺杂浓度增高而加强,因此,我们认为电子载流子并不是磁性产生的主要原因。结合两种情况,我们研究了Cu和Co共掺ZnO的磁性,发现Cu2+的掺入降低了Co掺ZnO的铁磁性。可见,共掺杂对样品的磁性会有很大的影响。
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