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《天津大学》 2007年
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新型磁性半导体(Sn,Mn)O_2和(Cu,Mn)O的物性研究

高矿红  
【摘要】: 在自旋电子学中,稀磁半导体已成为近几年来的研究热点,其中关于ZnO和TiO_2的研究居多。关于Mn掺杂的SnO_2 [简写为(Sn,Mn)O_2]和Mn掺杂的CuO [简写为(Cu,Mn)O]多晶样品的物性研究已有报道,然而其中还有诸多问题尚待解决,如Mn在半导体中存在的微观状态(Mn离子的价态、占位等)、铁磁性来源及其耦合机制等。针对这些问题,我们利用固态反应法制备了(Sn,Mn)O_2和(Cu,Mn)O多晶样品,并对其结构、磁性和电性等物理性质进行了比较全面地测试和研究。 对(Sn,Mn)O_2的研究表明:当Mn的掺杂浓度不大于5% (摩尔比)时,所有样品均为单一的金红石结构相,没有杂相出现;磁性数据证明所有样品的铁磁相-顺磁相的转变温度(即居里温度)皆低于30 K,不存在室温铁磁性,这与已报道的结果不同;根据实验所得到的单个Mn的有效磁矩和晶格常数随Mn的掺杂浓度的变化,可间接推出元素锰以Mn~(4+)离子形式替代Sn~(4+)离子的晶格位进入了SnO_2母体;随着Mn掺杂量的增加,我们发现每个Mn的饱和磁矩逐渐降低,这种现象可以运用F-center模型进行解释。 对(Cu,Mn)O的研究表明:Mn在CuO中的掺杂极限小于3% (摩尔比);当Mn的掺杂浓度大于0.2%时,样品表现出铁磁性;系列样品Cu_(1-x)Mn_xO (x≤0.0125)的X射线衍射光谱、X射线光电子能谱和磁性数据的分析表明锰以Mn~(2+)离子形式进入了CuO母体;为了研究电子对铁磁性的影响,我们在样品Cu_(0.9925)Mn_(0.0075)O中共掺杂了元素Al,发现样品的铁磁性因为Al的掺入而得到显著增强;为了研究空穴在铁磁耦合中的作用,我们利用溶胶-凝胶法在Cu_(0.9925)Mn_(0.0075)O中掺入元素Li,空穴因Li的掺入而被成功引入到CuO中;随着Li掺杂量的增加,样品的铁磁性被逐渐削弱,当Li掺杂量达到一定值时,铁磁性完全消失;我们最后用束缚磁极化子(bound magnetic polaron)逾渗模型很好地解释了(Cu,Mn)O的磁性。 另外,我们也通过溶胶-凝胶法制备了Cr掺杂的ZnO多晶样品,发现Cr在ZnO中的掺杂极限小于5%。对纯相样品的磁性测量发现:所有样品均没有铁磁性出现,只表现出反铁磁性,并且该反铁磁性随着Cr掺杂量的增加而增强。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304

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