【摘 要】
:
稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMSs),一般指掺入过渡金属元素或稀土金属元素而构成的一类新型半导体材料。氧化锌(ZnO)结晶态材料(薄膜、晶体等)是一种宽禁带半导体材料,具有优异的光学和电学性能,并可通过掺杂实现磁光和磁电特性。因此,ZnO基稀磁半导体材料一直是稀磁半导体研究领域的热点。在过去的十余年间,人们在过渡金属元素掺杂ZnO基稀磁半导体材料研
【机 构】
:
中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【出 处】
:
中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
论文部分内容阅读
稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMSs),一般指掺入过渡金属元素或稀土金属元素而构成的一类新型半导体材料。氧化锌(ZnO)结晶态材料(薄膜、晶体等)是一种宽禁带半导体材料,具有优异的光学和电学性能,并可通过掺杂实现磁光和磁电特性。因此,ZnO基稀磁半导体材料一直是稀磁半导体研究领域的热点。在过去的十余年间,人们在过渡金属元素掺杂ZnO基稀磁半导体材料研究方面取得了重要进展,不仅获得了具有室温铁磁性的材料体系,而且对其磁性来源和铁磁耦合机理也有了深入的认识。但是,迄今为止,人们对稀土金属元素掺杂ZnO基稀磁半导体的磁性来源和铁磁耦合机理仍没有形成统一的定论,许多科学问题有待于更进一步的研究。本文从基于第一性原理计算的虚拟实验和采用等离子体增强物理气相沉积(ICP-PVD)技术制备稀土金属元素掺杂ZnO薄膜并对薄膜样品进行系统的性能检测表征为核心的实物实验两个方面开展了深入研究,取得了以下四个方面的研究成果:(1)采用第一性原理计算开展了ZnO和Er、Gd、Pm、Nd、Yb稀土金属元素掺杂ZnO结晶态材料体系化学组成、结构与其磁性能关系的虚拟实验,主要计算了上述元素掺杂ZnO结晶态材料体系的电子结构,发现稀土金属元素掺杂ZnO结晶态材料体系的铁磁性主要来源掺入ZnO晶格中的稀土金属离子的4f轨道电子自旋极化,Yb掺杂ZnO结晶态材料体系具有最小的磁矩,而Gd掺杂ZnO结晶态材料体系具有最大的磁矩。(2)采用ICP-PVD系统制备出不同Yb掺杂浓度的ZnO薄膜。采用XRD、AFM、SEM、UV-VIS-NIR、Hall效应测试和SQUID磁测量等技术方法对Yb掺杂ZnO薄膜进行了结构、结晶形貌、光学性能、电学性能和磁性能的检测。结果表明,所制得的Yb掺杂ZnO薄膜结晶质量良好;在可见光范围内,薄膜具有高于85%的透过率;不同Yb掺杂浓度的ZnO薄膜都具有室温铁磁性,当Yb掺杂浓度为1.5at%时,薄膜具有最强的铁磁性,饱和磁化强度达到0.47 emu/cm3。提高制备过程中O2分压值,可使Zn0.985Yb0.015O薄膜的饱和磁化强度减小;在H2气氛下对薄膜进行退火处理可使其饱和磁化强度增大,但在O2气氛下对薄膜进行退火处理可使其饱和磁化强度减小。对Zn0.985Yb0.015O薄膜进行质子辐照实验,结果表明,薄膜的饱和磁化强度随着辐照剂量呈现先变大、再变小的现象,当辐照剂量为6×1015 ions/cm3时,薄膜的饱和磁化强度达到最大值。系统检测表征结果证明,与VO缺陷相关的点缺陷对Yb掺杂ZnO薄膜的磁性能有着显著的影响。(3)采用ICP-PVD系统制备出不同Gd掺杂浓度的ZnO薄膜。采用XRD、AFM、SEM、TEM、UV-VIS-NIR、Hall效应测试、SQUID磁测量等技术方法对Gd掺杂ZnO薄膜进行了结构、结晶形貌、光学性能、电学性能和磁性能的测试。结果表明,所制得的Gd掺杂ZnO薄膜结晶质量良好;在可见光范围内,薄膜具有高于80%的透过率;不同Gd掺杂浓度的ZnO薄膜都具有室温铁磁性。对于Zn0.98Gd0.02O薄膜,其导电特性随着制备过程中O2分压的增大而迅速降低,铁磁性也随着制备过程中O2分压的增大逐渐变弱。在不同气氛下对Zn0.98Gd0.02O薄膜进行不同温度退火处理的实验结果表明,经O2气氛下退火处理后,Zn0.98Gd0.02O薄膜的铁磁性随着退火温度的升高而逐渐减弱,当退火温度为850℃时,薄膜的铁磁性完全消失;经H2气氛下退火处理后,薄膜的铁磁性随着退火温度的升高而逐渐增强,退火温度越高,薄膜的铁磁性越强。上述系统检测表征结果表明,与VO缺陷相关的点缺陷对Gd掺杂ZnO薄膜的磁性能同样有着显著的影响(4)采用第一性原理计算工具VASP计算了不同荷电量的VO、VZn和Zni缺陷对体系铁磁稳定性的影响,结果表明只有单电离的VO缺陷会增强稀土金属离子之间的铁磁耦合交换,其它类型的点缺陷对体系的铁磁耦合交换不产生明显的作用。通过电子顺磁共振谱、X射线光电子能谱和光致发光谱等检测进一步证实了,对于稀土金属元素掺杂ZnO薄膜,VO缺陷可以调节其铁磁耦合。根据系统的虚拟实验和实物实验的结果,作者提出了稀土金属元素掺杂ZnO结晶态材料体系的铁磁交换模型,其核心思想是这类材料体系的铁磁性来源于束缚在VO缺陷周围的局域电子与稀土金属离子的4f轨道电子之间的铁磁耦合作用。
其他文献
近年来,中国的石油年新增探明储量明显下降,以致出现新增可采储量小于当年产量的情况,年产量也连续5年降至2×108t以下。2015—2019年的平均勘探开发投资处于低谷是近年来石油储量、产量处于降势的原因之一。中国天然气快速发展期的出现比石油晚一个"相位",目前仍处在快速发展的平台上。中国页岩气近10年来已获得良好的起步,但应看到已获得的探明储量仅限于四川盆地东南部的五峰组—龙马溪组页岩。鄂尔多斯盆
昭通页岩气国家级示范区开发的主力目标层位为厚约5m的下志留统龙马溪组海相页岩,具有靶窗较小、构造起伏大、微断层发育等特点,实钻井眼轨迹存在脱靶和出层的风险。通过分析该区水平井地质导向过程中出现的技术难点及其原因,从着陆入靶导向和水平段地质导向等关键环节入手寻找出解决上述难点的办法:①优化地质导向建模型方案,消除了传统建模理论在建立和修正模型过程中存在的3点不足,提高了导向模型预测着陆点精准度,保证
我国非常规油气资源储量丰富,探索其经济有效开发的钻井完井技术体系,是加快我国非常规油气资源勘探开发进程与规模上产的关键。详细介绍了我国已形成的埋深3 500 m以浅非常规油气钻完井技术体系,包括三维丛式井水平井井眼轨道设计、地质工程一体化设计与作业、强化钻井参数提速、深层页岩气控温钻井、地质导向、高性能钻井液、高效固井技术等关键技术,指出目前仍存在工厂化作业模式未实现最优化、长水平段水平井钻井可重
随着信息化建设的不断发展,军队采购行业数据化水准不断提高,产生了大量标准化和非标准化数据。为保障平时业务运行,同时为后勤指挥员决策提供数据支撑,有必要将海量数据进行抽取、分类、清洗、转化,形成具有军队采购特色的数据应用。本文基于以上现状,初步研究了军队采购平台数据服务能力建设的要点。
舱门是飞机结构的重要部件,舱门试验是验证舱门设计满足可靠性、安全性、适航要求的重要手段。民用飞机舱门试验包括设计验证试验和适航验证试验,结合民用飞机舱门研制的经验和教训,本文研究总结了舱门研制过程中,应当开展的试验项目和内容,提出了试验的试验目的、试验意义和开展试验的必要性,给出了试验台架设计建议。
固态照明光源被公认为是21世纪的新型绿色照明光源,具有效率高、能耗低、稳定性好、寿命长、无毒环保等优点。固态照明包括白光LED技术及激光照明技术,二者分别利用LED和LD芯片激发荧光材料得到白光。荧光材料的性能在很大程度上决定了白光的质量,因此其研究和开发越来越受到人们的重视。当今社会对高功率、高亮度照明光源的需求使得荧光材料在散热方面面临着严峻的考验,传统的“荧光粉+有机树脂”已经不再适用。在可
钛是常用的口腔修复材料,具有良好的生物相容性和力学性能,但其表面缺乏生物活性,与人体软组织结合不良,密封性差,导致细菌和异物侵入,引发种植体周围黏膜炎,破坏种植体稳定,最终种植体松动甚至脱落。改善软组织密封性能,对保证钛作为牙科种植体的使用寿命尤为关键。作为口腔软组织重要组成细胞,人牙龈成纤维细胞(HGFs)对材料表面响应与材料软组织密封性能息息相关,基于此目的,论文将石墨烯衍生物、镁和锌负载在钛
纳米酶学的蓬勃发展为癌症的精确诊断和高效治疗开辟了一条崭新的道路。化学动力学治疗(CDT)是利用纳米酶(例如Fe基、Mn基、Cu基等纳米生物材料)催化肿瘤微环境(TME)的过氧化氢(H2O2)发生芬顿或类芬顿反应产生活性氧物种(ROS)来抑制肿瘤细胞生长的治疗方式。常见的ROS有羟基自由基(·OH)、单线态氧(1O2)、H2O2及超氧自由基等。文献调研发现,较高浓度的ROS通过细胞氧化应激反应可以
细胞外基质(ECM)对细胞行为起着至关重要的调控作用。该调控主要是通过细胞与材料表面的相互作用实现,在此过程中,细胞通过骨架蛋白感知接触界面的微形貌、拓扑结构、硬度等外界因素,通过细胞骨架重组改变细胞力学状态,从而影响细胞信号通路调控和相关蛋白的表达反馈,诱导细胞行为发生改变。研究材料表面对细胞行为的作用规律和机理,对生物材料制备以及临床医学研究具有重要意义。本论文从“无序到有序”,“各向同性”,
半导体型气体传感器因其生产成本低、制作工艺简单、产品便携和可大规模制备等突出优点,依然是当前热点研究领域之一。近年来,在氧化物半导体气敏材料的研究方面所取得的突出进展使得高性能气体传感器的实现成为了可能,并且基于部分氧化物气敏材料的半导体器件已经在气体检测方面达到了商业化应用的水平,如Zn O、Sn O2和WO3等。但是,基于氧化物材料的半导体型气体传感器还面临着工作温度高、选择性差和功耗高等问题