Mn-Co(Zn)-Ni-O系薄膜的光学与电学特性研究

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Mn-Co-Ni-O作为一种尖晶石结构过渡金属氧化物,由于其优秀的负电阻温度系数而备受关注。近十几年来,人们在锰钴镍氧材料的制备工艺、器件加工、电学性质、光学性质和磁学性质等方面的研究取得了显著进展。Mn-Co-Ni-O材料在红外测辐射热计、抑制浪涌电流、测温、控温和温度补偿等方面得到广泛应用,特别是其薄膜材料在非制冷红外探测器的应用上呈现出广阔的前景。NiMn2O4作为重要的热敏电阻材料,有关其电学性能的改善一直是NiMn2O4体系材料的研究重点,而掺杂便是改善材料的性能有效途径之一。本论文中Zn-Ni-Mn-O薄膜材料是采用化学溶液沉积法(CSD,Chemical Solution Deposition)制备,而传统的Zn-Ni-Mn-O材料一般为采用高温烧结工艺制备的陶瓷体材料,因而有关Zn-Ni-Mn-O薄膜的研究鲜有报道。采用CSD法制备的Zn-Ni-Mn-O薄膜结晶性良好,致密平整,适合于物理性能尤其是光学特性的研究。本论文采用CSD法制备了Mn2-xCo2xNi1-xO4(MCNO,x=0,0.25,0.5,0.75,1)薄膜和ZnxNi1-xMn2O4(ZNMO,x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)薄膜,并对其结构、光学以及电学特性做了如下研究:1.利用CSD法在非晶Al2O3衬底上生长了Mn2-xCo2xNi1-xO4(x=0,0.25,0.5,0.75,1)薄膜,并对薄膜材料的结构特性和光学性质进行了表征。结果表明,各组分薄膜均为单一立方尖晶石结构,随着x的增大X射线衍射(XRD)衍射峰的峰位向高角度移位,晶格常数a逐渐减小,这归因于Co取代导致的晶格应变的影响。且MCNO薄膜的择优取向随着x的增大发生变化。通过对MCNO薄膜的透射光谱分析,发现薄膜的禁带宽度随着x的增大逐渐减小。2.通过常温电流-电压(I-V)测试,发现MCNO薄膜的电阻率随着x的增加而改变。当x=0.5时薄膜电阻率为最小值,与经典组分Mn1.56Co0.96Ni0.48O4的电阻率接近。通过对变温电学实验数据的拟合分析,发现不同组分的MCNO薄膜材料都具有较高的负电阻温度系数(约-4%K-1@295K);薄膜的电输运特性符合变程跳跃电导(VRH)模型;薄膜材料的热激活能与其电阻率随x的增加呈现相同的变化趋势。并且拟合出了薄膜的相转变温度,证实了锰钴镍氧材料的电磁关联。3.利用CSD法分别在非晶Al2O3和Pt/Ti/SiO2/Si衬底上生长了ZnxNi1-x Mn2O4(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)薄膜。对ZNMO薄膜的XRD图谱分析显示,所有组分的薄膜均具有单一立方尖晶石结构;生长于非晶Al2O3衬底上的ZNMO薄膜结晶性随着x的增大无明显差异,而Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的ZNMO薄膜的XRD衍射峰强度随着x的减小逐渐增大,这归因于晶体生长和结晶性的改善。对生长于非晶Al2O3衬底上的ZNMO薄膜的变温电学数据分析表明,ZNMO薄膜的负电阻温度系数随着x的增大基本不变(-4.4%K-1@295K),而薄膜的电阻率随x的增加而改变。在不损失材料的负电阻温度系数的前提下,掺杂一定量的Zn元素能够改善NiMn2O4薄膜的导电性能。通过对生长于Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的ZNMO薄膜在300-1100nm波长范围内的椭圆偏振光谱的分析获得了薄膜的光学常数,并讨论了随着入射光波长增加折射率n和消光系数k的变化规律。此外,通过对ZNMO薄膜的拉曼光谱分析证实了阳离子分布和晶格变形与Zn浓度有关。
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