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K掺杂SnO_2和V掺杂ZnO稀磁半导体粉末的结构和磁性研究

作　者: 唐小梅
导　师: 吴萍
学　校: 天津大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 稀磁半导体 溶胶凝胶法 K掺杂SnO2 V掺杂ZnO 室温铁磁性
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 64次
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内容摘要


稀磁半导体（ DMSs ）是指在非磁性半导体材料基体（通常是AB ）中通过掺入少量磁性过渡族金属元素或稀土金属元素使其获得铁磁性能的一类新型功能材料。目前,在DMSs材料中发现了许多新的物理现象,如巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应、巨负磁阻效应、磁致绝缘体金属转变等。利用这些效应,可以制备出各种新型功能器件,为一些科技的发展提供条件。因此,这种新型材料的研究倍受人们的关注。本文利用溶胶-凝胶法成功地制备出了一系列K-SnO2和V-ZnO稀磁半导体纳米粉末。利用X射线衍射仪（ XRD ）、透射电镜（ TEM ）、X射线光电子能谱（ XPS ）及物理性能测试仪（ PPMS-9 ）中的样品振动磁强计（ VSM ）对样品的结构和磁性进行了表征。在K-SnO2体系中,所有样品均为二氧化锡金红石结构,颗粒大小约几个纳米;K元素以+1价存在;样品具有室温铁磁性,且饱和磁化强度随着掺杂浓度的增大而增强。将K掺杂浓度为4%的样品和纯SnO2样品在氧气下退火后,掺杂K的样品仍然具有室温铁磁性,因此氧空位不是引起铁磁性的主要来源。当一个K元素取代一个Sn的位置时,由于K、Sn化合价的不同,将会产生3个阴离子空穴,阳离子可以通过这些空穴发生间接交换作用,从而导致铁磁性,具体磁学机理可以用RKKY模型来解释。在V-ZnO体系中,V掺杂浓度低于5%时,样品具有氧化锌纤锌矿多晶结构,颗粒尺寸在二三十个纳米左右;V元素的化合价为+5价;样品呈现室温铁磁性,且样品的饱和磁化强度随着V掺杂浓度的增大而增强,掺杂浓度为3%的样品在不同温度（ 500℃,600℃,700℃）的空气下退火1h后,饱和磁化强度随着退火温度的升高而增强。我们认为样品中的铁磁性来源主要是由氧空位和缺陷态密度引起的,具体磁学机理可以用束缚磁极化子模型来解释。

全文目录


中文摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章 绪论  9-28
  1.1 稀磁半导体的概述  9-12
    1.1.1 稀磁半导体概念的提出  9-10
    1.1.2 稀磁半导体的研究历史  10-12
  1.2 磁学机理  12-18
    1.2.1 直接交换作用  13
    1.2.2 超交换作用  13-15
    1.2.3 以载流子为媒介的交换作用  15
    1.2.4 RKKY 交换作用  15
    1.2.5 Zener 双交换作用  15-17
    1.2.6 束缚磁极化子模型  17-18
  1.3 ZnO 基稀磁半导体及其研究进展  18-22
    1.3.1 ZnO 的结构特性  18-19
    1.3.2 ZnO 的掺杂特性  19
    1.3.3 ZnO 基稀磁半导体的研究现状  19-20
    1.3.4 V 掺杂 ZnO 基稀磁半导体研究现状  20-22
  1.4 Sn0_2 基稀磁半导体及其研究进展  22-25
    1.4.1 Sn0_2 的结构特性  22-23
    1.4.2 Sn0_2 基稀磁半导体的研究现状  23
    1.4.3 Co 掺杂 Sn0_2 的研究现状  23-25
  1.5 稀磁半导体材料的制备方法  25-27
    1.5.1 水热法（高温水解法）  25
    1.5.2 沉淀法  25-26
    1.5.3 溶胶－凝胶法（胶体化学法）  26-27
  1.6 稀磁半导体材料仍存在的问题  27
  1.7 本论文的工作  27-28
第二章 实验和表征手段  28-34
  2.1 实验方法：溶胶-凝胶法( Sol-gel )  28-29
  2.2 材料的结构和性能的分析  29-32
    2.2.1 材料的结构分析  29-31
    2.2.2 材料的形貌分析  31
    2.2.3 材料的化学价态分析  31-32
    2.2.4 材料的磁性分析  32
  2.3 本章小结  32-34
第三章 K 掺杂Sn0_2 纳米粉末的结构和磁性研究  34-46
  3.1 纳米粉末的制备  34-35
    3.1.1 溶胶的制备  34
    3.1.2 凝胶的制备  34
    3.1.3 粉末的制备  34-35
  3.2 结构分析  35-39
    3.2.1 XRD 结构的分析  35-37
    3.2.2 样品形貌和掺杂成分的分析( TEM )  37-38
    3.2.3 K 掺杂 Sn0_2 中各元素化合价的分析( XPS )  38-39
  3.3 K 掺杂 Sn0_2 磁性结果的分析  39-44
    3.3.1 不同掺杂浓度样品的室温磁滞曲线（ M-H 曲线）  40-41
    3.3.2 样品在低温下的磁性  41-43
    3.3.3 样品在不同气氛下退火后的 M-H 曲线  43-44
  3.4 本章小结  44-46
第四章 V 掺杂 ZnO 纳米粉末的结构和磁性研究  46-56
  4.1 纳米粉末的制备  46-47
    4.1.1 溶胶的制备  46
    4.1.2 凝胶的制备  46
    4.1.3 粉末的制备  46-47
  4.2 样品的结构分析  47-50
    4.2.1 XRD 结构的分析  47-48
    4.2.2 样品的透射电子衍射测量  48-49
    4.2.3 样品的光电子能谱分析  49-50
  4.3 样品的磁性测量  50-55
    4.3.1 不同 V 掺杂浓度样品的室温磁滞曲线（ M-H 曲线）  50-52
    4.3.2 样品在低温下的磁性  52-53
    4.3.3 样品在不同温度下退火后的 M-H 曲线  53-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章 结论  56-58
  5.1 本论文的主要结论  56-57
    5.1.1 K 掺杂 Sn0_2 的主要结论  56
    5.1.2 V 掺杂 ZnO 的主要结论  56-57
  5.2 有待研究的问题  57-58
参考文献  58-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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