In2O3基稀磁半导体结构和性能的研究

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稀磁半导体(DMSs)由于同时利用了电子的电荷和自旋而具有很多独特的性能,在自旋电子学领域有着广泛的应用前景。2000年,Diet1等人理论预测宽带隙半导体中能够实现室温铁磁性,引起了研究者们对氧化物基稀磁半导体的研究热潮。其中以过渡金属掺杂ZnO、TiO2、SnO2和In2O3基的研究最广泛。下一代多功能器件要求材料同时具有良好的光学、电学和磁学性质,因而寻找具有可调控的载流子浓度、高迁移率、高磁矩及透明的磁性半导体材料至关重要。我们报道的Ni-In2O3稀磁半导体很有希望可以满足以上的条件。本文采用溶胶凝胶法制备了Ni-In2O3稀磁半导体粉末和薄膜。首次研究了Ni在In2O3中的溶解度,讨论了样品的结构、形貌、光学性能和室温磁性能随Ni的掺杂量变化的规律,并进一步研究了退火温度对样品结构和性能的影响,初步探讨了体系的磁性产生机理。首先我们以水合硝酸铟、水合硝酸镍、乙酰丙酮和乙二醇甲醚作为原料配制前驱体溶胶。再在110℃烘干,研磨后于不同温度下煅烧获得粉末样品,或采用提拉法在相同热处理条件下制备薄膜样品。(In1-xNix)2O3-δ纳米粉体样品的XRD结果表明,当Ni的含量x≤0.1时无杂质相产生,x=0.15时出现了杂质相,因此可得Ni在In2O3中的溶解度约为10%。为了进一步验证10%样品中是否不含第二相,我们对500℃退火的(In0.9Ni0.1)2O3-δ纳米粉体进行了XPS的测试,结果表明此样品中确实不含杂质相,Ni离子成功的以Ni2+进入了In2O3晶格中取代了In3+。同时对O1s光电子谱的研究发现样品中含有大量的氧空位。在Ni的溶解度范围内,Ni的掺入能够促进颗粒的长大,纳米颗粒的粒径随Ni含量的增加而增大。(In1-xNix)2O3-δ(x=0.05、0.1)纳米粉体样品具有很好的室温铁磁性,且证实铁磁性为本征的。随Ni含量的增大,磁性离子的平均间距减小,磁交换作用增强,饱和磁化强度逐渐增加。而增加退火温度后,颗粒的粒径变小,饱和磁化强度有减小的趋势。最大饱和磁化强度达0.44emu/g(0.11μB/Ni,(In0.9Ni0.1)2O3-δ纳米粉体,500℃煅烧)。通常认为体系中磁性的产生源自于载流子为媒介的交换作用,而样品中的阳离子缺陷和氧空位能够调节载流子的浓度。与Ni-In2O3块体和薄膜相比,我们制备的Ni-In2O3粉体的饱和磁化强度处于两者之间,这正是由不同材料类型之间,结构的完整性和缺陷数的差异所致。根据对体系磁性产生机理的分析可知,薄膜样品可能具有更优越的磁性能。因此我们在相同工艺条件下制备了(In1-xNix)2O3-δ薄膜样品,期望它有更好的磁性能,并对它的结构和性能做了研究。(In1-xNix)2O3-δ薄膜样品的XRD图谱表现出与粉体样品相同的规律,通过对晶格常数的计算表明x≤0.1时,样品晶格常数呈线性减小,x≥0.1,样品的晶格常数无明显变化,说明Ni在In2O3薄膜中的溶解度也为10%,与粉体结果相同。在溶解度范围内,随Ni含量的增加,样品颗粒的生长能力增加,Ni离子间的交换作用增强,晶格畸变加重,从而使薄膜样品的粒径,饱和磁化强度逐渐增大,对光的散射增强进而可见光透过率逐渐降低。(In0.9Ni0.1)2O3-δ薄膜样品进行了不同煅烧温度的实验(400℃、450℃、500℃、550℃),结果表明样品的晶粒大小和饱和磁化强度都呈现出先增大后减小的趋势。最大饱和磁化强度高达356emu/cm3(11.8μB/Ni)。500℃煅烧的样品表现出最好的磁性能,由于Ni的掺入量相同,磁性的增强意味着较高的载流子浓度,而载流子浓度增加,对光的散射增强,使500℃时可见光透过率最低。
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