ZnCuVO与ZnCuCeO稀磁半导体的制备和性能研究

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由于具有重要的磁学性质和在自旋电子学基础器件中的应用,ZnO基稀磁半导体材料(DMSs)吸引了很多关注。在DMSs的研究领域,根据理论预测过渡金属(TM)掺杂ZnO是能够实现室温铁磁性的最广泛的研究体系。已经发现DMSs的铁磁性可以通过共掺杂得到提高。本文用溶胶-凝胶法合成了VCu和CeCu共掺杂ZnO体系。用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、振动样品磁强计(VSM)、紫外显微拉曼-荧光光谱仪等测试手段对样品的结构和性能进行了研究。首先,用凝胶-溶胶技术制备了Zn0.98xCuxV0.02O (x=0,0.01,0.02和0.03)样品。XRD结果显示所有样品的衍射峰均对应于ZnO的纤锌矿结构。PL测试结果表明Zn0.98xCuxV0.02O粉末样品的紫外峰(UV)有一个很明显的红移现象,并且绿光峰的强度随着Cu掺入到ZnVO中有所增强。磁性的测试结果表明当Cu的掺杂浓度低于3%时样品具有室温铁磁性,而且这种铁磁性是样品的本质特性。此外,样品的饱和磁化强度(Ms)随着Cu的掺杂浓度的增加而增大。其次,用溶胶-凝胶方法在空气中采取不同温度烧结成功制备了Zn0.97Cu0.01V0.02O纳米粉末,研究了烧结温度对样品性质的影响。XRD结果表明当烧结温度低于700oC时Zn0.97Cu0.01V0.02O粉末具有ZnO纤锌矿结构。PL谱图显示随着烧结温度增加紫外峰和可见峰的强度都有所增强。磁性结果表明样品具有室温铁磁性。XRD、TEM和XPS的共同结果表明在Zn0.97Cu0.01V0.02O粉末中没有与铁磁性相关的第二相存在,Zn0.97Cu0.01V0.02O样品的铁磁性起源于Cu和V离子掺杂到ZnO晶格中。此外,Ms随着烧结温度而增强。再次,用溶胶-凝胶法在600oC空气和氩气中分别进行烧结,成功制备了Zn0.97Cu0.01V0.02O样品,研究了烧结气氛对样品性质的影响。XRD的结果显示Zn0.97Cu0.01V0.02O具有单相的ZnO纤锌矿结构。在空气中烧结的样品具有比较好结晶质量。PL谱图结果显示在氩气气氛中进行烧结可以增加绿光峰的强度。这两种样品都具有室温铁磁性,这种铁磁性是Cu和V共掺杂ZnO的本质属性并且不是起源于第二相的干扰。最后,我们同样用溶胶-凝胶法制备了ZnO, ZnCeO和ZnCeCuO纳米粉末,并在600oC氩气中进行烧结。研究了Cu掺杂对样品性质影响。XRD结果显示ZnCeO和ZnCeCuO纳米粉末是单相的ZnO纤锌矿结构。PL谱图结果表明Cu掺杂ZnCeO样品以后UV峰的强度增加并且绿光峰也增强。磁性结果揭示ZnCeO和ZnCeCuO样品具有室温铁磁性,Cu掺杂以后Ms增强。这篇论文通过共掺杂提供了有效的提高ZnO基DMSs性能的方法,我们研究的结果对于ZnO在未来的实际应用具有重要的作用。
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