一.稀释磁性半导体材料　　 稀磁半导体集电子的电荷和自旋于一体，使之具有了半导体的电荷输运特性和磁性材料的信息存储特性，是一种新型的功能材料。由于磁性的产生，使原来的传统半导体材料增加了一个对磁性可控的参数，稀磁半导体具有了一些奇异的性质。稀磁半导体是目前国际上研究的热门课题，研究最为广泛的是过渡族金属掺杂的ZnO/TiO2所制成的稀磁半导体材料。尽管理论和实验上已经取得了可喜的结果，但是由于过渡金属元素本身可能引起的铁磁性杂质相在稀磁半导体材料中的铁磁性起源讨论中，存在着很多的争议。因此本文主要采用非磁性元素碳做为掺杂元素制备了ZnO/TiO2基稀释磁性半导体，通过实验以及第一性原理计算对材料的磁学性能进行了详细地讨论。　　 1.采用固态反应法制备了碳掺杂的ZnO稀磁半导体，经过检测所有的样品在室温下均是纤维锌矿结构，没有发现任何的杂质相，掺杂并没有使原有的ZnO结构发生改变。经过Raman散射光谱的测定，表明样品中除了由于ZnO材料引起的散射之外，还发现了碳相关的缺陷石墨碳以及无定形碳所引起的拉曼散射。此外，由于N2氛围的处理，这两种碳相关的缺陷散射消失。由于碳的特殊性，导致制备过程中即使采用了气氛作为保护，仍然有大部分的碳流失了。所有的样品均是n型半导体，即电子导电，并且随着碳含量的增加，电子浓度降低。此外，采用了氮气氛围制备的样品，虽然有碳和氮共同引入空穴，但是样品的导电类型并没有转变，只是电子浓度大大的降低了。磁性检测表明所有的样品在室温下均具有铁磁性，并且随着碳含量的增加，每个以碳化物形式存在的碳所具有的饱和磁矩降低。该碳掺杂的ZnO材料的居里温度高于390 K。氮气氛围制备的样品，经过检测磁矩比氩气氛围制备的样品的磁矩明显降低。经过分析，体系所观测到的磁矩为样品本身的固有属性，不是杂质相的贡献。并且，电子传导的铁磁性相互作用机制更适合解释本文中所检测到的磁学性质。　　 经过第一性原理计算，该碳掺杂ZnO体系的磁矩来源于CZn4O12的磁性单元，并且每个碳所具有的磁矩约为2.00μB。氧空位做为体系中的主要缺陷，倾向于存在磁性单元的内部，并且破坏了体系的磁矩。此外随着碳-碳相对距离的增大，体系的磁矩为0，即出现了反铁磁性相互作用。我们还研究了碳氮共掺的ZnO结构的磁性，表明随着碳-氮相对距离的增加，并没有对体系的磁矩产生影响。考虑上温度的因素，可以得到碳-碳相对距离增加为6.136 A时，体系的总能降低了0.17eV，意味着空穴的浓度增加了1000倍，即电子浓度降低了1000倍，体系的自由载流子不足以将两个碳的磁矩平行排列，因此出现了反铁磁性。这也就表明了体系的铁磁性相互作用是电子作为载流子来传递的。　　 2.采用固态反应法制备了碳掺杂的TiO2稀磁半导体粉体材料，所有的样品均未发现杂质相，并且样品结构是金红石和锐钛矿结构并存的混合结构。此两相并存的结果经过拉曼散射分析，得到了进一步的确定。所有的样品在室温下均具有铁磁性，并且随着掺杂量的增加，样品中每个碳原子以碳化物形式存在时的饱和磁化强度降低。并且在氮气氛围制备的样品的磁矩要明显低于氩气氛围制备的样品的磁矩。进一步证实了电子作为传导载流子来传递铁磁性相互作用。　　 二.稀释磁性介电体材料　　 1894年，Pierre Curie首次提出多铁性材料的概念：同时展现电极化以及磁极化。这种材料由于同时具有铁电(反铁电)以及铁磁(反铁磁)性能，可具有较高的介电常数和高的磁导率，有可能制成小型或者微型的多功能电磁器件。除此以外，目前研究还发现利用它们本征的铁电性和铁磁性有序耦合性质，不仅可以确定材料的磁性性质，还在制作“理想”回相器、高密度存储器、多态记忆元、电场控制的磁共振装置、磁场控制的压电传感器和电场控制的压磁传感器等方面具有广阔的应用前景和极高的研究价值。因此这类材料引起了越来越多的关注。本文将稀释磁性半导体的设计思路进行推广，首次采用脉冲激光沉积结合离子注入的方法制备了Fe/Co注入的BaTiO3稀释磁性介电薄膜材料，详细地分析了材料的结构，磁学以及介电性能。　　 1.对于Co注入的BaTiO3稀释磁性介电薄膜材料，经过XRD结合Raman散射的检测分析，所有样品在室温下属于四方结构。XPS分析结果表明，本实验中Co的注入深度约为600 nm，并且在表面到200 nm的深度范围内，Co的化学状态为+2价，而在更深层次的位置，表现为金属态。经过AFM以及MFM的检测，在Co注入的BaTiO3样品中，样品的磁畴形貌随着注入剂量的增加而越来越清晰，表明磁性的逐渐增强。经过磁性分析，Co注入的BaTiO3样品在室温下均检测到磁滞现象，即铁磁性的存在，并且随着注入的剂量的增加，样品的饱和磁化强度增强。经过铁电性以及漏电的分析，在Co注入的BaTiO3样品中，当注入剂量低于7×1016cm-2时，样品可以观测到铁电性，并且在外加电场低于20 V时，漏电流是随着外加电场的增强而增大的。　　 2.对于Fe注入的BaTiO3稀释磁性介电薄膜材料，经过XRD结合Raman散射的检测分析，所有样品在室温下属于四方结构，并且随着注入剂量的增加，晶格常数c/a的比值降低。XPS分析结果表明，本实验中Fe的注入深度约为80 nm，并且在材料中Fe的化学状态是氧化物态与金属态的共存。在Fe注入的BaTiO3样品中，均未检测到清晰的磁畴形貌。此外，我们研究了退火对Fe注入的BaTiO3样品的结构和性能的影响，结果表明退火处理可以降低薄膜表面的颗粒尺寸以及粗糙度。磁性检测结果表明，Fe注入的BaTiO3样品在室温下均检测到磁滞现象，即铁磁性的存在，并且随着注入的剂量的增加，样品的饱和磁化强度增强。退火之后的样品磁性略微增强，矫顽力场降低。经过铁电性的分析，对于Fe注入的BaTiO3样品，当注入剂量低于3×1014 cm-2时，可以检测到铁电性能。