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宽禁带半导体材料ZnO,当适量掺杂过渡金属(TM,如Co,Mn等)后具有室温铁磁性,因而成为目前最重要的自旋电子学材料体系之一,但是相关研究主要集中在薄膜材料,对块体材料的研究很少,已报道的块体材料的磁性结果也存在较大差异,同时缺乏块体输运特性的研究报道。本论文采用固态反应法制备了过渡金属掺杂的Znl.xTMxO(TM= Sc,Mn,Fe,Co,Ni)块体样品,然后通过间隙锌Zn1(锌蒸气退火获得)掺杂对样品载流子浓度进行调节,系统研究其磁电性质。
所有样品均采用了X射线Rietveld精修方法对其进行了相分析,研究表明只有Co和Mn掺杂的ZnO块体样品可以得到纤锌矿结构的单相样品,其掺杂极限分别为15at%和Sat%。而其它过渡金属元素掺杂的块体样品中都存在杂质相。同时证实,Zn’掺杂即5000C锌蒸气退火处理,不会改变样品的结构,也不会产生新的杂质相。
在5~350K温度范围内,未经过退火处理的初始样品Zn1-xTMx0( TM= Mn,Fe,Co,Ni)都表现出顺磁性。Zn1掺杂后,样品由原来的绝缘体转变为半导体,除Zni.xCoxO外,还首次在Zn1-xFexO块体样品中观测到其本征的室温铁磁性。采用杂质能带模型对其磁性的来源进行了分析。
Zn1掺杂样品在5~300K温度范周内表现出复杂的电阻行为:存在三个主要的温度区间,满足不同的导电机制。随着温度的升高,可以分别用束缚磁极化子的变程跳跃模型、束缚磁极化子的最近邻跳跃模型以及带隙模型联合束缚磁极化子的最近邻跳跃对块体Zn1-xTMxO(TM= Mn,Fe,Co,Ni)的输运特性进行拟合,首次确定束缚磁极化子的变程跳跃机制决定了此类样品的低温电输运特性。
低温区,Zn1掺杂样品在低磁场下表现出较大的正磁电阻效应,其最大值可达70%,而在高磁场下样品又出现负磁电阻现象。在高温区(>100K),样品的磁电阻效应则变得非常弱。正磁电阻效应主要来源于s-d电子交换相互引起导电电子的自旋劈裂,而负磁电阻效应则归因于束缚磁极化子在磁场下的非局域化和自旋无序散射受到磁场抑制。几种不同机制之间的竞争决定了样品在低温下的磁电阻行为。