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《武汉大学》 2010年
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(Me,Li)掺杂的ZnO薄膜的制备及其微结构及铁电铁磁性研究

邹长伟  
【摘要】: 用离子注入和磁控溅射的方法研究了过渡金属元素和锂共掺杂ZnO薄膜的铁电铁磁性质。在ZnO:CoLi和ZnO:CuLi薄膜中发现了室温多铁性,并对其铁磁铁电机制进行了研究。在Mn和Li共掺杂的ZnO中发现了室温铁磁性,同时实现了ZnO的P型掺杂,对ZnO光电子器件的应用有一定的贡献。 在(Co,Li)共注入的ZnO中同时发现了室温铁电性和铁磁性。Li和Co的注入能量分别为50和400 Kev,注入剂量分别为1×1016cm-2和5×1016 cm-2。共注入样品在700℃退火后的剩余电偶极化率和矫顽场分别为10.2μC/cm2和24.8kV/cm。700℃退火后的共注入样品的饱和磁化率和矫顽磁场分别为11.4×10-5emu和67 Oe。样品的铁电性可以解释为掺杂离子(Co,Li)与基体阳离子(Zn)的半径差异引起的电偶极化,而铁磁来源于电子和缺陷调制的束缚磁激子。 在Pt(111)/Ti/SiO2衬底上用磁控共溅射的方法生长了Zn0.95-xCuxLi0.05O薄膜。用X射线衍射(XRD)、x光电子能谱(XPS)、和光吸收谱(absorption spectroscopy)验证了薄膜为多晶材料,并且Cu2+离子替代Zn2+位Zn0.90Cu0.05Li0.05O薄膜在电学和磁学测试中显示出电滞回线和磁滞回线,剩余电极化率和饱和磁化率分别为6μc/cm2和0.43μB/cm2。对于样品的铁电性和铁磁性机制在结论中进行了讨论。 用磁控共溅射的方法在玻璃衬底上生长了一系列的Zn0.95-xMnxLi0.05O (x=0.01,0.03,0.05 and 0.08)薄膜,发现其窒温铁磁性质与缺陷有关。Zn0.95-xMnxLi0.05O薄膜的c轴晶格常数,禁带宽度,矫顽场和剩余磁化率随Mn掺杂量的增加而增加。通过比较沉积前后薄膜的结构和磁学性质,我们发现空穴载流子和缺陷浓度在Mn和Li共掺杂ZnO的铁磁性能中有重要的作用。薄膜的铁磁性质可以解释为缺陷束缚载流子相关的束缚磁激子模型(BMP)。 多铁材料在自旋电子学器件和存储器中有广泛的应用,我们通过用共掺杂的方法实现了室温多铁性,初步探索了宽禁带ZnO半导体在多铁材料中的用途。通过掺杂稀土元素,如Gd, Er等,可以实现较大的矫顽磁场和饱和磁化率
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