稀磁掺杂In2O3纳米线生长及性能研究

来源 :南京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:goodywq2008
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稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors, DMSs)具有电子电荷和自旋两个自由度,在同一个器件中同时操控自旋和电荷两个自由度有望得到全新的自旋电子器件。在某些方面,自旋电子器件很有可能赶上甚至超越传统半导体。我们主要的研究目的就是制备出性能优异的稀磁半导体。氧化铟(In203)111-V族宽带隙n型半导体,常温常压下直接带隙为3.75eV,因其独特的光学、电学特征而被应用于各个领域。在In203中掺杂入过渡金属元素可以表现出磁性,而过渡金属元素也易于掺杂进入1n203材料。因此In203稀磁半导体为当下自旋电子学研究的热点之一。本论文通过化学气相沉积(CVD)技术成功生长出了Nd掺杂In203纳米线和Fe掺杂In203纳米线。通过扫描电镜(SEM)、光致发光谱PL、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼散色光谱(RAMAN)、能量色散谱(EDS)、超导量子干涉仪(SQUID)、振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射(XRD)等对其进行表征和研究。得到以下结果:1.使用Au作为催化剂通过化学气相沉积方法成功生长出了Nd掺杂In203基稀磁半导体纳米线;HRTEM图像显示生长出的Nd掺杂氧化铟纳米线为结晶性良好的单晶,其快速傅里叶变换(FFT)图像表明制备出的纳米线样品为立方铁锰矿结构;EDS, XPS, RAMAN的研究结果表明Nd元素已经成功掺杂进入了1n203晶格结构中,掺杂量约为1 at%,且Nd元素以+3价的价态存在,样品中没有发现其他磁性杂质:通过计算可以得出Nd掺杂In203样品中有氧空位存在;XRD结果进一步验证了生长所得纳米线的立方铁锰矿结构,并且没有观测到钕团簇及其氧化物等二次相;通过研究掺杂前后XRD和RAMAN峰位的变化我们可以得出Nd元素的掺杂方式为替位掺杂;同时在我们的样品中还观察到了明显的室温铁磁性,基于上述表征我们判断样品中的室温铁磁性是本证的并非来自于杂质相,而磁性的来源我们使用束缚磁极子(BMP)模型来解释:掺杂Nd离子与氧空位等缺陷通过磁极化子相互作用从而诱产生了室温铁磁性;2.通过化学气相沉积技术使用Au作为催化剂成功制备出了Fe掺杂In203基稀磁半导体纳米线,并对其结构和性质进行探究。EDX, RAMAN结果显示Fe元素已经成功掺杂进入氧化铟纳米线,掺杂量约为2 at%且分布均匀;XPS分析显示纳米线中Fe元素表现为+3价和+2价的混合态;通过计算得出Fe掺杂In203样品中存在氧空位;同样在我们的Fe掺杂In203基稀磁半导体纳米线中也观察到了明显的室温铁磁性,基于实验结果我们判定样品的铁磁性为本征的;把样品放在氧气环境下进行退火处理过后磁性减弱,磁性来源可以使用束缚磁极子(BMP)模型来解释:氧空位与Fe掺杂离子通过自旋极化相互作用可能是磁性来源
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