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稀磁半导体作为一种新的半导体材料，它将自旋和电荷两个自由度集于同一基体，同时具备磁性材料和半导体材料的特性，在自旋电子学以及光电子领域已经展现出非常广阔的应用前景，因此吸引了人们的广泛关注。稀磁半导体是一种由过渡金属离子或稀土金属离子部分替代非磁性半导体中的阳离子所形成的新的一类半导体材料。就应用而言，如何制备具有较大饱和磁化强度和较高居里温度的稀磁半导体材料，是实现应用的关键。目前，对于过渡金属掺杂ZnO是否具有铁磁性，以及铁磁性的来源和铁磁性的产生机制具有很大争议性。因此，我们有必要对其进行深入研究。本文利用溶胶凝胶法制备了Ni掺杂ZnO粉末，利用磁控溅射法制备了Fe掺杂ZnO和Ni掺杂ZnO薄膜样品，并研究了ZnO基稀磁半导体粉末与薄膜的性质。
1.通过对溶胶凝胶法制备Znl-NixO粉末研究，X射线衍射结果表明所有样品都具有纤锌矿结构，在X射线衍射精度范围内没有发现金属团簇或第二相。x射线光电子谱证实Ni离子处于+2价态。通过光学吸收谱发现随着掺杂量增加样品的能隙减小，证实Ni2+替代Zn2+。磁性测量表明所有样品都具有室温铁磁性，且随着掺杂浓度的增加样品的饱和磁化强度增强。光致发光测量表明样品中存在着由缺陷引起的蓝光发射。研究结果表明粉末样品中铁磁性是内禀的，是由于有效掺杂和缺陷引起的。
2.在磁控溅射制备的Ni掺杂ZnO薄膜体系中我们发现了样品具有室温铁磁性，居里温度高于340K。随着掺杂浓度的增加，饱和磁化强度先减小后增强。样品中的Ni离子处于+2价态，而且没有发现金属团簇或第二相，进而可以排除第二相或金属团簇对铁磁性的影响，证实样品中的铁磁性是内禀性质。同时研究发现在不同氩氧流量比下制备Zn0.97Ni0.03O薄膜仍具有室温铁磁性，随着氧比例的增加样品饱和磁化强度减小。光学测量发现了由氧空位引起的蓝光发射，而且随着氧比例的增加蓝光发射与近带边发射强度比值减小，说明了样品中氧空位减少。相应地，随着氧比例增强样品的电阻率增加。随着样品中氧空位的减少样品的饱和磁化强度减弱，这表明系统的铁磁性与氧空位有关。
3.通过对磁控溅射制备的Fe掺杂ZnO薄膜的结构，价态和形貌的研究，发现Zn1-xFexO薄膜具有纤锌矿结构，Fe离子处于+2价，没有发现团聚物或第二相。磁性测量显示样品具有室温铁磁性，且居里温度高于340K。随着掺杂浓度的增加样品的饱和磁化强度先增加后减小。原子力显微镜和磁力显微镜发现ZN0.88Fe120薄膜具有不同与样品形貌的明显磁畴，而且薄膜具有明显的磁性各向异性。结果表明样品的铁磁性是内禀的，并与缺陷有关。对Zn0.88Fe0.12O薄膜在空气退火，结果发现铁磁性消失，只表现出顺磁性，而且电阻率增加了2个数量级。这种由铁磁性到顺磁性的转变证实了zn1-xFeO的铁磁性与氧空位有关。