ZnO稀磁半导体的制备和磁、光性能研究-微电子学与固体电子学专业论文.docxVIP

湘潭大学硕士毕业论文ZnO 湘潭大学硕士毕业论文 ZnO 稀磁半导体的制备和磁、光性能研究 I I 摘 要 近年来 ，基于对电子自旋态的产生 、输运 、控制等的研究 ，由此而导致了一 门新的学科 ——自旋电子学的诞生 。由于 自旋电子器件能同时利用电子的电荷属 性和自旋属性 ，它有可能成为电子科学与 技术的新革命 。稀磁半导体作为自旋电 子学的重要基础，目前引起了科学界广泛的关注。 本文利用溶胶 -凝胶法分别制备了锰掺杂和镍掺杂 ZnO 纳米晶稀磁半导体， 并分别用透射电子显微镜 、X-射线衍射仪 、拉曼光谱仪 、超导量子干涉磁强计和 阴极射线发光谱仪分别对样品进行了形貌 、结构、磁、光性能表征。研究表明： 纳米晶颗粒尺寸在 25 纳米左右 ；在较低的掺杂浓度下 ，样品保持很好的 ZnO 纤 锌矿结构，由于溶胶 -凝胶法是一种稳态的晶体生长方法，因而锰和镍的有效掺 杂浓度较低；拉曼光谱分析表明，在较低 的掺杂浓度下掺杂离子在纤锌矿结构 ZnO 中引入了明显的晶格缺陷，使得 Raman 散射峰发生峰移、不对称展宽、出 现新增 Raman 散射峰等一系列变化，随着掺杂浓度逐渐增加， ZnO 纤锌矿结构 逐渐被破坏；对于 2％锰掺杂样品，在 350K 条件下测得了明显的磁滞回线，表 明样品具备较好的室温铁磁性；对于镍掺杂样品，也测得了样品的室温铁磁性， 铁磁相变温度在 300K 以上。 本文对纳米晶样品铁磁性进行了详细的讨论，证明室温铁磁性来源于掺杂 ZnO 本体 。研究表明样品铁磁性跟载流子 浓度密切相关 ，即铁磁性能被载流子浓 度调制，这将使得用电场调制稀磁半导体 从而实现高速、非挥发器件变得可能， 具有重大的应用价值。 论文第五章利用雾化气相沉积法制备了锰掺杂 ZnO 薄膜，对其形貌、结构 以及磁性质和发光性质等进行了详细的分析研究 。在掺杂浓度较低的薄膜中观测 到强的绿光发射 ，而且绿光的发射强度随 掺杂浓度的增加而增大 ，这是一种新的 实验现象，本文对此给出了解释。 关键词： ZnO；稀磁半导体；铁磁性； Raman 光谱；阴极射线发光 II II ABSTRACT Based on the research of injection, transportation and manipulation of electron spin, a new subject called “spintronics” emerges in recent years. Due to the possibility of controlling both the spin and charge of electron, spintronics might bring a new revolution in the field of traditional electronics. Meanwhile, as the footstone of designing spin-based devices, diluted magnetic semiconductors have now drawn dramatic attentions. In this dissertation, both Mn- and Ni-doped ZnO nanoparticles have been prepared by an ultrasonic assisted sol-gel method, respectively. Morphologies, structures, magnetism and luminescence properties characterization are performed by using the transmission electron microscope, X-ray diffractometer, Raman scattering measurement system, superconducting quantum interference device magnetometer and cathodoluminescence system, respectively. It is found that the diameters of nanoparticles are about 25 nm. When it is doped with lower contents of Mn or Ni, ZnO keeps a good wurtzite ZnO structure. Raman scattering shows that dopants can result in many de