Fe掺杂In2O3稀磁半导体薄膜及纳米点阵列的制备与研究

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集电子的电荷和自旋属性于一体的稀磁半导体材料,同时具有半导体和磁学性质,表现出很多优良的磁、磁电、磁光性能,使其在自旋电子学领域中受到人们的广泛关注。自从2000年Dietl等人从理论上首次预测了Mn掺杂Zn O稀磁半导体的室温铁磁性,人们就开始对氧化物稀磁半导体展开了大量的研究工作,其中Fe掺杂In2O3稀磁半导体的研究备受人们的关注,主要原因是Fe在In2O3主体中的固溶度高,可以有效避免产生铁以及铁的氧化物团簇。目前,人们已经采用不同的方法如脉冲激光沉积、溶胶凝胶、固相反应等,制备出了具有室温铁磁性的Fe掺杂In2O3稀磁半导体薄膜及粉末,但是有关制备和研究Fe掺杂In2O3纳米点阵列却并没有报道。我们把目光转向生长和研究具有低维结构的纳米点阵列,这种阵列由于其独特的小尺寸和大的比表面积会对其磁性产生一定的影响。因此,在本论文中主要研究Fe掺杂In2O3稀磁半导体薄膜以及高度有序的纳米点阵列样品的制备、结构及其性质等。(1)采用脉冲激光沉积方法制备了厚度小于40nm的(In0.95Fe0.05)2O3薄膜,薄膜均为In2O3立方方铁锰矿结构,并以(222)为择优取向。薄膜中Fe已经替代In2O3主体中In的位置而进入主体晶格中,以+2价离子和+3价离子共存的形式存在。(In0.95Fe0.05)2O3薄膜均呈现出室温铁磁性,居里温度高于300K,其铁磁性基本上和厚度无关,排除了磁性来源于界面效应的可能性。(2)利用超薄阳极氧化铝模板(PAA),采用脉冲激光沉积的方法制备了不同大小和形状的(In0.95Fe0.05)2O3纳米点阵列。X射线衍射表明(In0.95Fe0.05)2O3纳米点阵列的结构与薄膜相同,都是In2O3立方方铁锰矿结构,并且都以(222)择优取向,排除了金属铁以及有关铁的氧化物的存在。(In0.95Fe0.05)2O3纳米点阵列表现出明显的室温铁磁性,其饱和磁化强度大于相同条件下制备的(In0.95Fe0.05)2O3薄膜,并且随着(In0.95Fe0.05)2O3纳米点阵列的尺寸逐渐减小,其饱和磁化强度逐渐增强。这可能是由于纳米点的相对较大的比表面积,使得其表面存在较多的以不饱和键的形式存在的缺陷,而且随着纳米点尺寸的减小其比表面积越大。还可能由于其独特的小尺寸产生量子限域效应的作用。此外,我们可以通过调控(In0.95Fe0.05)2O3纳米点的尺寸来调节其光学带隙,而薄膜样品却很难对其光学带隙进行很好的调控。随着(In0.95Fe0.05)2O3纳米点的尺寸的减小,其光学带隙相应逐渐增大。总之,我们研究了不同尺寸的Fe掺杂In2O3高度有序的稀磁半导体纳米点阵列以及薄膜样品的制备、结构及其性质。发现了可以通过控制(In0.95Fe0.05)2O3纳米点的大小,来调控其磁性和光学带隙。并且(In0.95Fe0.05)2O3纳米点阵列大的饱和磁化强度将在未来自旋存储、逻辑功能器件中发挥重要作用。
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