论文部分内容阅读
作为第三代半导体的ZnO拥有优异的性能，可以作为各种器件的潜在应用。近期已经引起了学术界普遍的兴趣。大量的实验在其基础上开展，包括大尺寸晶圆的生长和ZnO基稀磁半导体等等。目前ZnO产业存在的问题主要有大尺寸晶圆生长和p型ZnO的获得，高Tc氧化锌基稀磁半导体的获得。本文基于上述观点，针对ZnO晶体生长、p型掺杂以及高Tc氧化锌基稀磁半导体等问题进行了探索。主要研究内容如下：
⑴从熔盐法出发，利用相图为研究工具探索ZnO晶体生长中助熔剂及其组分的选择。其次以过渡金属掺杂氧化锌为体系，利用水热法生长掺钴氧化锌稀磁半导体，对体系中磁性起源进行讨论。
⑵选择ZnO-Li2O-WO3三元体系为相图研究对象。以固相反应为制备实验的实验方法，X射线衍射法为主要的检测手段，最终得到了ZnO-Li2O-WO3三元体系的固相线下关系。在我们的实验条件下得到了该相图有八个三相区构成，其中有一个新发现的三元化合物Li2Zn2W2O9和五个已知的二元化合物ZnWO4、Li2W5O16、Li2W2O7、Li2WO4和Li4WO5。对该新化合物Li2Zn2W2O9进行了解结构，Li2Zn2W2O9属于P(3)c1空间群，其晶格常数为a=5.1438(2)(A)，c=14.1052(3)(A)。着重研究了Li2Zn2W2O9和ZnO的二元相，DTA和X射线衍射分析结果表明Li2Zn2W2O9为非同成分共熔物质，它在859℃分解，得到ZnO，Li2WO4和ZnWO4。
⑶利用水热法生长控制其中钴的含量得到了一系列掺钴氧化锌晶体样品，分别为Zn0.982Co0.018O、Zn0.964Co0.036O和Zn0.95Co0.05O。通过AES元素分布图、X射线衍射、Rietveld分析、紫外光谱和同步辐射等手段证实在这一系列晶体中钴为替位掺杂。磁学研究发现这一系列样品都表现出了大的磁晶各向异性。该磁晶各向异性由处于ZnO的四面体晶场中的Co2+离子的单离子各向异性产生。Magnetization Step(MST)的发现说明钻进入ZnO晶格中受到大的晶格场的作用，并通过该方法得到相应的单离子各向异性常数2D～7.5K，这同理论值接近。
⑷在这系列样品中随着其中钴掺杂量的上升，磁晶各向异向差别变小。而同时钴离子的有效磁矩随着掺杂浓度的提高而降低，当钴离子浓度x为0.018，0.036和0.05时分别为2.7μB，1.82μB.1.49μB，表明钴离子之间倾向于反铁磁耦合。系列晶体在高电子浓度下、任何温度下、在Zn气氛下退火处理下的顺磁性，说明水热的晶体的氧缺陷低，也暗示完整晶格中稀磁难以出现。