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非磁性元素掺杂稀磁半导体和复合软磁材料的研究

作　者: 赵占刚
导　师: 胡季帆
学　校: 山东大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 稀磁半导体溶胶-凝胶法非磁性掺杂复合软磁材料磷酸包覆
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

最近,对非磁性元素掺杂稀磁半导体的研究逐渐引起人们的关注,从而避免了稀土元素或过渡元素作为掺杂的稀磁半导体磁性来源的问题。在本论文中,我们制备非磁性元素(K,Mg,Y)掺杂SnO2纳米晶颗粒,对不同的非磁性元素掺杂SnO2的结构和室温铁磁性来做了一定的研究,同时基于密度泛函理论的第一性原理研究了非磁性元素(K,Mg)的掺杂SnO2的电子结构和磁学性能,对我们实验的结果进行了理论解释。我们同时研究了铁磁性粉末的绝缘包覆技术,这种包覆技术不仅能有效的降低高频涡流损耗,而且结合粉末冶金技术的生产优势,将在很广泛的领域中得到应用。在本论文中,来研究不同的热处理以及不同浓度的磷酸处理对磁粉芯密度、微观结构、电阻以及电阻的频率稳定性的影响。本论文研究的内容以及结果如下：1).我们用X射线衍射和扫描电子显微镜对样品的相结构和微观结构做了分析,所有的样品都是四方金红石结构,同时X射线图中没有测量出与掺杂元素有关的杂相。样品的X射线主峰伴随掺杂量的增加而变低,伴随退火温度的提高而增强,真空退火处理降低了主峰的强度。样品的平均颗粒大小伴随着掺杂量的增加而降低,随退火温度的升高而增大。2).我们得到的非磁性元素(K, Mg, Y)掺杂SnO2纳米晶颗粒都具有室温铁磁性,样品的室温铁磁性伴随掺杂量的增加而提高,伴随退火温度的提高而降低,每个掺杂原子的平均有效磁矩伴随掺杂量提高而降低。第一性原理计算的结果表明：K、Mg掺杂SnO2体系的磁性来源于掺杂原子周围氧原子的未配对电子,在K掺杂SnO2体系中氧空位的存在使得掺杂原子更容易替代Sn,在高浓度Mg掺杂SnO2体系中,我们发现由于掺杂而引起的缺陷之间存在铁磁耦合和反铁磁耦合,所以伴随掺杂浓度的提高每个掺杂原子的平均有效磁矩降低。伴随退火温度的提高,纳米晶颗粒的平均大小变大,样品的室温铁磁性降低。3).对铁粉进行了磷酸包覆绝缘处理得到的磁粉芯,研究发现：高浓度的磷酸包覆磁粉芯的密度比较低,；高浓度磷酸处理铁粉得到的磁粉芯的XRD谱图有一定量的Fe(PO4)n的相结构,铁粉与铁粉之间有一定厚度的磷酸盐层；退火温度对磁粉芯的电阻的变化有影响,当样品经过大于650℃退火温度时,磁粉芯的电阻大大地降低。不同磷酸包覆铁粉电阻率的研究比较,伴随磷酸与铁粉质量比的增加,磁粉芯的电阻有明显地提高。

全文目录

中文摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
符号表  14-15
第一章绪论  15-25
  1.1 引言  15
  1.2 稀磁半导体研究的历史  15-16
  1.3 以氧化物基的DMSs的研究现状  16-17
  1.4 稀磁半导体的磁性理论  17-20
    1.4.1 双交换作用  18
    1.4.2 超交换作用  18
    1.4.3 RKKY理论  18-19
    1.4.4 束缚态磁极化子模型  19
    1.4.5 d~0铁磁性  19-20
  1.5 稀磁半导体的应用前景  20
  1.6 课题的选取以及研究意义  20-22
  参考文献  22-25
第二章样品的制备、表征和第一性原理计算基础知识介绍  25-35
  2.1 样品的制备  25-26
    2.1.1 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)  25
    2.1.2 固相反应法  25-26
  2.2 实验样品的表征  26-29
    2.2.1 X射线衍射(XRD)  26-27
    2.2.2. 扫描电子显微镜(SEM)  27-28
    2.2.3 磁性测量  28-29
  2.3 第一性原理计算理论知识  29-33
    2.3.1 第一性原理介绍  29
    2.3.2 绝热近似理论  29-30
    2.3.3 密度泛函理论  30
    2.3.4 Kohn-Sham方程  30-31
    2.3.5 局域密度近似  31
    2.3.6 广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation,GGA)  31-32
    2.3.7 LDA+U或GGA+U  32
    2.3.8 赝势方法  32-33
  2.4 使用软件介绍  33-34
  参考文献  34-35
第三章非磁性元素K掺杂SnO_2稀磁半导体的研究  35-51
  3.1 非磁性元素K掺杂SnO_2样品的制备和测量  35
  3.2 非磁性元素K-SnO_2样品的结构分析  35-38
    3.2.1 不同的掺杂浓度对样品结构的影响  35-36
    3.2.2 真空退火对样品结构的影响  36-37
    3.2.3 不同的退火温度对样品结构的影响  37-38
  3.3 样品的微观结构的分析  38
  3.4 非磁性元素K掺杂SnO_2样品的室温铁磁性的研究  38-42
    3.4.1 不同掺杂浓度对样品室温铁磁的研究  39-40
    3.4.2 真空退火处理对样品室温铁磁的研究  40-41
    3.4.3 不同的退火温度对样品室温铁磁性的研究  41-42
  3.5 非磁性元素K掺杂SnO_2模型的构建和计算方法  42-43
  3.6 非磁性元素K掺杂SnO_2体系的结果与讨论  43-47
  3.7 本章小结  47-49
  参考文献  49-51
第四章非磁性元素Mg掺杂SnO_2稀磁半导体的研究  51-63
  4.1 非磁性元素Mg-SnO_2纳米晶颗粒样品的制备和测量  51
  4.2 非磁性元素Mg掺杂SnO_2样品的相结构研究  51-54
    4.2.1 不同Mg的掺杂量对纳米晶颗粒样品结构影响的研究  51-53
    4.2.2 退火温度对纳米晶颗粒样品结构影响的研究  53-54
  4.3 非磁性元素Mg掺杂SnO_2纳米晶颗粒样品微观结构进行研究  54-55
  4.4 非磁性元素Mg掺杂SnO_2样品室温铁磁性的研究  55-57
    4.4.1 不同浓度的掺杂对样品室温铁磁性的研究  55-56
    4.4.2 不同的退火温度对样品室温铁磁性影响的研究  56-57
  4.5 非磁性元素Mg掺杂SnO_2磁性模型的构建和计算方法  57-58
  4.6 非磁性Mg掺杂SnO_2体系计算磁性的结果与讨论  58-61
  4.7 本章小结  61-62
  参考文献  62-63
第五章非磁性元素Y-SnO_2稀磁半导体的研究  63-72
  5.1 非磁性元素Y掺杂SnO_2纳米晶颗粒样品制备和测量  63
  5.2 非磁性元素Y-SnO_2样品的相结构和微观结构研究  63-67
    5.2.1 不同Y的掺杂量对纳米晶颗粒样品结构影响的研究  63-65
    5.2.2 不同的退火温度对纳米晶颗粒样品结构影响的研究  65-66
    5.2.3 非磁性元素Y-SnO_2样品的微观相貌的研究  66-67
  5.3 非磁性元素样品室温铁磁性的研究  67-70
    5.3.1 非磁性元素Y掺杂量对样品室温铁磁性的影响  68
    5.3.2 不同的退火温度对纳米晶颗粒样品室温铁磁性的影响  68-70
  5.4 本章小结  70-71
  参考文献  71-72
第六章复合软磁材料包覆技术的研究  72-85
  6.1 复合软磁材料介绍  72-74
    6.1.1 复合软磁材料  72
    6.1.2 复合软磁材料特点  72-73
    6.1.3 复合软磁材料制备  73-74
    6.1.4 复合软磁材料绝缘包覆技术的介绍  74
  6.2 本章研究的意义和内容  74-75
  6.3 复合软磁材料的磷酸包覆的研究  75-81
    6.3.1 复合软磁材料的制备  75
    6.3.2 复合软磁材料影响密度因素的研究  75-76
    6.3.3 复合软磁材料相结构和微观组织的研究  76-78
    6.3.4 复合软磁材料不同磷酸处理电阻(电阻率)的研究  78-81
  6.4 本章总结  81-83
  参考文献  83-85
第七章总结与展望  85-88
  7.1 总结  85-86
  7.2 有待进一步解决的问题  86-88
致谢  88-89
攻读硕士期间发表的学术论文目录  89-90
学位论文评阅及答辩情况表  90

非磁性元素掺杂稀磁半导体和复合软磁材料的研究

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