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随着科技的进步,越来越多的磁性材料被广泛地应用于生产生活的方方面面。磁性材料除了包括磁性金属、合金、铁氧体等传统的无机磁性材料外,还包括有机磁体。传统磁体的磁性通常来源于过渡金属及其氧化物的未成对d层电子或稀土元素的未成对f层电子,而有机分子材料主要通过共价键结合,不具有未成对电子,因此一般不显示顺磁性或铁磁性。然而,人们在某些含有稳定自由基的有机化合物以及含过渡金属的有机配合物中发现了磁性。与无机磁性材料的高温冶炼工艺不同,有机磁性材料可以低温制备,能耗低,质量轻,柔韧性及可塑造性好,结构种类多样,且其磁性容易与机械、光、电等性质相结合,在超高频装置、高密度信息存储、吸波材料、电子信息产业和宇航等需要轻质磁性材料的领域有重要的应用前景。
随着有机自旋电子学的发展,有机磁性材料在有机自旋电子器件中的潜力也逐步得到人们的重视,尤其是同时具有半导体导电性和铁磁性的有机材料,然而目前有机电子器件或有机光电子器件中常用的有机半导体材料都不具有磁性。最近几年,研究人员发现通过向有机半导体中掺杂磁性元素(如过渡金属元素钴、锰等)可以获得铁磁性。然而,在有机分子与过渡金属共蒸发成薄的过程中容易产生铁磁金属团簇,这使得薄膜的磁性来源变得不确定。
本论文通过真空热蒸发的方法,制备了本身含有不饱和3d电子的八羟基喹啉过渡金属配合物薄膜-八羟基喹啉钴(Coq2)薄膜,并对Coq2进行了非磁元素(Cu、Al)掺杂,利用掺杂增强局域磁矩间的耦合作用,进而增强材料磁性,有效地避免了磁性金属团簇的产生。
主要的研究内容和结论如下:
(1)制备了膜厚为100nm的未掺杂纯Coq2薄膜样品;采用AFM对样品进行形貌分析,结果显示纯Coq2薄膜有很好的成膜质量;采用FT-IR对样品进行结构分析,在傅里叶红外光谱的700-1200cm-1波段,可观察到有机体中对苯二酚配合基以及吡啶环所对应的特征振动峰;采用SQUID对样品进行磁性测试,纯Coq2薄膜在低温下呈顺磁性。
(2)制备了一系列的具有不同掺杂比例的Al掺杂Coq2薄膜样品;分别采用AFM、EDS、FT-IR、AGM以及SQUID对样品进行了形貌、成分、结构以及磁性测试;原子力显微镜下该薄膜比纯Coq2薄膜略粗糙,属典型的非晶态;电子能谱仪的测试结果表明共蒸得到样品的掺杂比例符合预期;傅立叶红外振动谱中410cm-1位置的振动峰出现蓝移,表明掺杂的金属原子确与Coq2分子结合;磁性测试结果表明Al掺杂Coq2薄膜具有本征铁磁性,在掺杂比例范围内样品的饱合磁化强度随掺杂比例的增加而增大,并随温度的升高而减小,矫顽力也随温度的升高而降低。
(3)制备了一系列的具有不同掺杂比例的Cu掺杂Coq2薄膜样品;对样品进行了形貌、结构以及磁性测试;原子力显微镜显示该薄膜表面比较粗糙,可以看到明显的起伏;FT-IR图谱显示掺杂的金属原子引起了物质结构的变化,导致410cm-1位置的振动峰出现红移;磁性测量结果显示Cu掺杂Coq2薄膜具有本征铁磁性。