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磁性半导体(In_(1-x)Fe_x)_2O_3与xFeTiO_3-(1-x)Fe_2O_3的制备、结构和磁性的研究

作　者: 颜士明
导　师: 葛世慧
学　校: 兰州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 磁性半导体 In x)Fe2O3 x)Fe_x xFeTiO3 磁性的粉末样品铁磁性真空退火半导体性质磁场退火室温光电子谱 Mossbauer 固溶体溶胶-凝胶法氧空位化学制备方法双交换作用化学法制备
分类号: TN304.7
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

磁性半导体被认为是制造下一代自旋电子器件的候选材料之一。一种获得磁性半导体的方法是将磁性原子注入到半导体中,使磁性原子之间产生交换相互作用,形成具有铁磁性的稀释磁性半导体(Diluted Magnetic Semiconductor-DMS)。对于早期研究的DMS,它们的居里温度(Tc)通常较低(<110K),不能在实际中应用。2000年,Diet1通过Zener模型和平均场理论预测在P型宽禁带半导体ZnO中掺杂5%的Mn磁性离子,有望获得高于室温的铁磁性。紧接着在2001年,Y. Matsumoto等人报道少量Co掺杂的宽禁带半导体TiO2具有高于室温的铁磁性(Tc>400K),自此以后,关于氧化物稀磁半导体的室温铁磁性得到了广泛的研究。然而对于氧化物稀磁半导体的铁磁性具体来源目前仍然不清楚：有人认为铁磁性来源于样品的内禀性质,其产生机理主要分为三种：第一种是由载流子诱导的铁磁交换耦合,如RKKY交换作用。第二种是与样品中的缺陷有关,具有代表性的是局域极化子(BMP)模型,第三种是传统的交换作用模型,比如双交换相互作用。另外,还有人认为铁磁性来源于样品中的铁磁性团簇或污染物,但这不是样品的内禀性质。因此深入研究氧化物稀磁半导体的铁磁性来源对于基本问题的认识和它们将来的应用都具有重要的意义。对于另外一种磁性半导体材料FeTiO3-Fe2O3固溶体来说,它们本身就具有内禀的铁磁性,并且具有良好的半导体性质。但是关于磁性半导体FeTiO3-Fe2O3固溶体的研究目前只停留在固相反应和真空溅射制备的块体和薄膜材料上,所以研究化学法制备磁性半导体FeTiO3-Fe2O3固溶体粉末将有助于开拓这种材料的应用范围和性质研究。本论文研究的是稀磁半导体Fe掺杂In2O3的磁性及其来源和磁性半导体FeTiO3-Fe2O3固溶体粉末的化学制备方法。我们采用溶胶-凝胶法制备Fe掺杂In2O3粉末样品,采用化学共沉积法制备FeTiO3-Fe2O3固溶体粉末样品。利用Mossbauer谱、X射线光电子谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)等手段,系统地研究了Fe掺杂In2O3和FeTiO3-Fe2O3固溶体粉末样品的微结构和磁性,得到的主要结果如下：1. (Inl-xFex)2O3样品对于溶胶-凝胶法制备的(Inl-xFex)2O3粉末样品,系统地研究了产生铁磁性的各种条件以及铁磁性的来源。1.1通过溶胶凝胶法制备的(Inl-xFex)2O3粉末样品,其Fe离子最高溶解度可达50%,这一结果远远高于目前其它文献报道的值(25%)。利用XRD精修和Mossbauer谱第一次研究了Fe离子在In2O3晶格中的占位信息。结果表明,当Fe离子浓度很低时,Fe离子在In2O3晶格中择优占据24d晶位,随着Fe离子浓度的升高,Fe离子慢慢趋向随机占据24d和8b晶位。这一结果为以后深入研究Fe离子在In2O3中的磁行为提供了有用信息。1.2为了在(In l-xFex)2O3样品中获得铁磁性,我们分别利用了真空退火和Sn共掺杂两种方法,发现真空退火可以诱导出铁磁性,而Sn共掺杂没有诱导出铁磁性,这一结果说明在(In l-xFex)2O3羊品中,可以通过引入氧空位而不是载流子来诱导铁磁性。1.3为了注入氧空位并诱导铁磁性,我们第一次利用碳热还原方法末处理(In1-xFex)2O3样品,获得了居里温度高达786K且磁矩可达1.4μB／Fe的铁磁性,而且铁磁性的强弱可以通过碳剂量来调节。利用XPS分析,我们得出铁磁性来源于氧空位诱导的二价Fe离子与三价Fe离子之间的双交换作用。1.4第一次利用简单的分解聚四氟乙烯方法来实现对(In l-xFex)2O3样品的F离子掺杂,并由此获得了即使在高温空气中也很稳定的铁磁性。通过XPS等实验证实,F掺杂诱导了二价Fe离子产生,铁磁性来源于二价Fe离子与三价Fe离子之间的双交换作用。2.FeTiO3-Fe2O3固溶体样品第一次利用了化学共沉积方法制备出纯相亚铁磁半导体FeTi03-Fe2O3固溶体粉末样品。2.1我们发现要制备出纯相的FeTiO3-Fe2O固溶体,必须使用Fe3+和Fe2+混合盐作为源材料,并要尽可能保证Fe2+在整个制备过程中不能被氧化为Fe3+。制备过程之前通过加热来除去水中溶解的氧,在共沉积和热处理过程中利用Ar气作为保护气体防止Fe2+被氧化,最后成功制备出纯相FeTiO3-Fe2O3固溶体粉末样品。2.2对于xFeTiO3-(1-x)Fe2O3样品,当x<0.5时,由于Ti离子的无序分布材料为反铁磁性,我们利用磁场退火方法处理了xFeTiO3-(1-x)Fe2O3(x=0.4,x=0.3)样品,发现磁场退火后样品的铁磁性明显增强,分析认为这是由于在热处理过程中磁场对Ti离子的分布影响而导致的。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-13
第一章概述  13-23
  1.1 自旋电子学  13-15
  1.2 磁性半导体  15-17
  1.3 磁性半导体的光学、磁光与输运性质  17-19
  1.4 我们研究的动机和意义  19-20
  参考文献  20-23
第二章基础理论  23-33
  2.1 sp-d交换作用  23-24
  2.2 d-d交换作用  24
  2.3 双交换作用  24-26
  2.4 超交换作用  26-28
  2.5 RKKY理论  28-29
  2.6 束缚极化子模型(BMP)  29-31
  参考文献  31-33
第三章样品的制备和测试  33-49
  3.1 样品的制备方法  33-35
    3.1.1 溶胶—凝胶(sol-gel)法概述  33
    3.1.2 溶胶—凝胶的基本方法  33-34
    3.1.3 溶胶凝胶法的特点  34-35
    3.1.4 化学共沉积法  35
  3.2 样品表征  35-47
    3.2.1 X-ray衍射(XRD)结构表征  35-38
    3.2.2 X射线光电子谱(XPS)  38-41
    3.2.3 磁性测量  41-43
    3.2.4 穆斯堡尔谱(Ms)  43-47
  参考文献  47-49
第四章磁性半导体(In_(1-x)Fe_x)_2O_3的制备与性质研究  49-90
  4.1 前驱物直接在空气烧结制备的样品的结构与磁性  50-62
    4.1.1 XRD结构研究  50-56
    4.1.2 Mossbouaer谱研究  56-59
    4.1.3 磁性研究  59-61
    4.1.4 X射线光电子谱(XPS)  61-62
  4.2 共掺杂Sn与真空退火对样品结构与磁性的影响  62-68
    4.2.1 不同Sn含量对样品结构与磁性的影响  62-65
    4.2.2 不同真空度对样品结构与磁性的影响  65-68
  4.3 碳热退火对样品结构与磁性的影响  68-76
    4.3.1 碳热退火对结构的影响  69-70
    4.3.2 碳热退火对磁性的影响  70-73
    4.3.3 X射线光电子谱(XPS)  73-75
    4.3.4 讨论  75-76
  4.4 氟化对样品结构与磁性的影响  76-84
    4.4.1 氟化对样品结构的影响  77-78
    4.4.2 氟化对样品磁性的影响  78-80
    4.4.3 X射线光电子谱(XPS)  80-82
    4.4.4 讨论  82-84
  4.5 结论  84-90
第五章化学共沉积法制备亚铁磁半导体FeTi03-Fe2O3固溶体  90-104
  5.1 制备气氛对样品结构与磁性的影响  92-97
  5.2 退火对样品磁性的影响  97-98
  5.3 磁场退火对样品结构与磁性的影响  98-101
  5.4 结论  101
  参考文献  101-104
第六章结论  104-106
附录  106-108
致谢  108

磁性半导体(In_(1-x)Fe_x)_2O_3与xFeTiO_3-(1-x)Fe_2O_3的制备、结构和磁性的研究

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