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稀释磁性半导体Fe_xSn_(1-x)O_2纳米线的制备、生长机理、微结构和磁性研究

作　者: 汪春霞
导　师: 池俊红
学　校: 兰州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 纳米线 Fe_xSn x)O2 磁性半导体生长机理磁性研究化学气相沉积法 SAED SnO 室温铁磁晶格条纹二氧化锡生长机制纳米材料掺杂的 HRTEM 选区电子衍射 XRD 色散谱制备方法
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors, DMS）是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素取代后形成的磁性半导体,因兼具有半导体和磁性材料的性质,即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度,因而引起科研工作者的广泛关注。稀磁半导体目前尚处于研究阶段,存在的问题主要集中在磁性的来源。目前,已经有一些小组报道了具有室温铁磁性的稀磁半导体材料。但是他们的工作大部分都集中在薄膜和块状材料的制备和表征上,对于一维结构的稀磁半导体材料的研究工作还比较少。金红石型二氧化锡（SnO₂）是一种宽带系（室温下为3.6eV）的半导体材料,它具有光学透明性、导电性、化学敏感性,可用来制作太阳能电池、催化剂、气敏材料等。本文用化学气相沉积法（CVD）制备了SnO₂纳米线和Fe掺杂的SnO₂纳米线,探索了获得居里点在室温以上的铁磁性半导体纳米线的制备方法和工艺条件。用X射线衍射（XRD）、X射线能量色散谱（EDS）、场发射扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）等技术研究了样品的形貌、成分和微结构。利用光致发光谱仪（PL）研究了样品的光学性质；利用超导量子干涉仪（SQUID）和振动样品磁强计（VSM）研究了样品的磁性。并详细讨论了纳米线的磁性来源。得出主要结论如下：1.利用化学气相沉积法在Si衬底上制备了SnO₂和Fe_xSn_1-xO₂纳米线样品。所得的纳米线表面光滑,直径分布在70-120nm之间。在轴向上纳米线直径没有太大的变化,长度可达几百微米。2.在实验中研究了各种制备条件对SnO₂纳米线生长的影响,纳米线的形貌敏感的依赖于实验条件,其中O₂气流量非常重要。3.讨论了SnO₂纳米线和Fe_xSn_1-xO₂纳米线的生长机制,认为分别是气-液-固和气-固机制控制它们的生长。4.由XRD、HRTEM和SAED结果表明实验制备的Fe掺杂的SnO₂纳米线为四方金红石结构,沿（020）方向生长。样品的XRD图中没有发现Fe单质或氧化物的峰,HRTEM的照片中可观察到清晰的晶格条纹,表明样品具有良好的单晶结构。5.利用光刻的方法在单根纳米线上制备电极形成场效应管结构,测量了单根纳米线的输运性质,结果显示样品具有典型的n型半导体导电特性,计算得纳米线的载流子浓度为7.6×1017/cm3。6.在Fe_xSn_1-xO₂纳米线样品的室温磁滞回线上都可以观察到明显的磁滞,说明样品具有室温铁磁性,Fe_xSn_1-xO₂纳米线样品的磁矩随着Fe掺入量的增加先升后降,磁矩最大可达0.72μB/Fe。结合XRD、HRTEM和SAED结果可以认为文中观察到的铁磁性是由Fe离子掺入SnO₂晶格中形成的,而不是来源于Fe团簇或者杂相。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章概述  10-18
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 稀磁半导体的研究概况  11-13
    1.2.1 稀磁半导体的概述  11-12
    1.2.2 稀磁性半导体的性质  12-13
    1.2.3 稀磁性半导体的电学性质  13
  1.3 SnO_2一维纳米材料  13-14
  1.4 研究的动机和意义  14-16
  参考文献  16-18
第二章稀磁半导体的磁学性质理论  18-21
  2.1 稀磁半导体中的主要交换相互作用  18-20
    2.1.1 d-d交换作用  18-20
  参考文献  20-21
第三章样品的制备  21-25
  3.1 样品的制备  21-22
    3.1.1 化学气相沉积法简介  21-22
  3.2 实验仪器介绍  22-24
  参考文献  24-25
第四章氧化锡纳米线的制备及其表征  25-35
  4.1 SnO_2纳米线的制备  25-27
    4.1.1 XRD衍射研究  25-26
    4.1.2 扫描电子显微镜(SEM)形貌观察  26-27
  4.2 生长条件对SnO_2纳米线的形貌影响  27-30
  4.3 纳米线的生长机理  30-33
    4.3.1 一维纳米结构生长机理介绍  30-32
    4.3.2 SnO_2纳米线的生长机理  32-33
  4.4 结论  33-34
  参考文献  34-35
第五章 Fe_xSn_(1-x)O_2纳米线的制备及其表征  35-48
  5.1 稀磁半导体Fe_xSn_(1-x)O_2纳米线样品的制备  35
  5.2 样品的表征  35-47
    5.2.1 XRD射线衍射研究  35-36
    5.2.2 扫描电子显微镜(SEM)与X射线能量色散谱(EDS)研究  36
    5.2.3 透射电子显微镜分析  36-37
    5.2.4 Fe_xSn_(1-x)O_2纳米线的电性数据分析  37-42
    5.2.5 Fe_xSn_(1-x)O_2纳米线的磁性测量  42-44
    5.2.6 磁性来源讨论  44-45
    5.2.7 结论  45-47
  参考文献  47-48
第六章结论  48-49
致谢  49

稀释磁性半导体Fe_xSn_(1-x)O_2纳米线的制备、生长机理、微结构和磁性研究

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