论文部分内容阅读
本文采用固相反应方法和脉冲激光沉积方法制备了Cr、Fe掺杂的ZnO以及Fe、Cu共掺ZnO稀磁半导体粉末和薄膜材料,系统研究了掺杂浓度、烧结气氛、烧结温度、沉积气氛等条件对样品结构和磁性的影响,并对材料的磁性来源和机制进行了探讨。结果表明:(1)Zn1-xCrxO(x=2~20)粉末中,Cr在ZnO中的溶解度低于10%,高于10%后体系中会出现ZnCr2O4杂质相,而且真空退火和空气烧结的Zn1-xCrxO粉末均不显示铁磁性,将空气烧结的Zn1-xCrxO粉末压片烧结制得靶材,采用脉冲激光溅射该靶材沉积的Zn1-xCrxO薄膜显示室温铁磁性,不同气氛中沉积的薄膜的饱和磁化强度均随着Cr掺杂浓度的增大呈先增大后减小的变化趋势,这可能是由于样品中Cr取代ZnO晶格中不同Zn的位置,从而导致形成Cr-O-Cr或Cr-O-Zn-O-Cr结构有关;(2)在Zn0.97Fe0.03O粉末中,随着空气中烧结温度逐渐升高,Fe在ZnO中的溶解度逐渐增大,大于800℃时Fe能很好地溶解于ZnO晶格体系中,形成单一的均相体系,进行真空退火后,粉末显示明显的铁磁性,并且退火温度为575℃时粉末的饱和磁化强度最大;(3)800℃空气烧结和真空退火的Fe、Cu共掺杂ZnO稀磁半导体粉末显示室温铁磁性;(4)所有Fe掺ZnO和Fe、Cu共掺杂ZnO薄膜均呈现单一相,Fe掺杂ZnO薄膜表现出非磁性,而部分Fe、Cu共掺杂ZnO薄膜表现出室温铁磁性,这可能与Cu的共掺以及施主缺陷氧空位的产生有关。总之,尽管我们选择了不同的掺杂元素,它们的制备方法和条件各不相同、得到的磁化强度差别也较大,但是其中有一些相似性:空气烧结的Cr掺杂的ZnO和Fe掺杂的ZnO粉末均不显示铁磁性,Cr掺杂的ZnO以及Fe、Cu共掺的ZnO薄膜均显示室温铁磁性,而且掺杂浓度和沉积气氛对薄膜的磁性有较大的影响。因此,我们认为,掺杂元素对ZnO中Zn的取代以及缺陷的产生二者共同作用诱导了我们所研究的ZnO稀磁半导体薄膜铁磁性的产生。