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钴掺杂氧化物材料的微观结构与磁学行为

姜鹤  
【摘要】:磁性半导体材料同时具备半导体材料和磁性材料的性能,应用前景广阔。磁性半导体主要通过向半导体中掺杂过渡族金属或稀土元素来实现,对过渡金属掺杂氧化物半导体的磁性能和交换偏置行为的研究是当前自旋电子学领域的热门课题。然而目前这一领域还存在许多尚未解决的问题,如对其铁磁性的物理机制未形成统一认识。本文采用化学溶液法合成了Co掺杂SnO_2和CuO纳米材料,并引入静态强磁场采用两步法制备了CuO薄膜。系统研究了工艺参数(如掺杂浓度、表面活性剂添加量、热处理工艺)对材料形貌、结构缺陷、掺杂元素分布和局域结构的影响,进而探讨磁性氧化物纳米材料表面性质和微观结构对磁性能和交换偏置行为的作用机制。 化学溶液法制备的Co掺杂SnO_2材料呈单一相存在,无第二相出现,证明该材料表现出的室温铁磁性为本征性能。制备过程中表面活性剂的添加促进了纳米棒中掺杂元素的均匀分布和结构缺陷的形成。采用纳米棒卷曲生长机制模型合理地解释了表面活性剂对微观结构的调节作用,证明了材料内部结构缺陷是影响纳米棒室温铁磁性的关键因素。使用表面活性剂和随后的热处理对Co掺杂SnO_2纳米颗粒进行了不同程度地表面修饰,证明了纳米颗粒表面缺陷是影响铁磁性的另一重要因素。利用纳米晶分散聚集模型详细解释了纳米材料表面对室温铁磁性的调节作用。气氛热处理确定了影响体系铁磁性的缺陷类型为氧空位。最后,清晰合理地解释了Co掺杂SnO_2纳米材料室温铁磁性的物理机制。 将反铁磁性氧化物半导体引入到磁性半导体的制备中,合成Co掺杂CuO纳米材料,发现过渡金属元素掺杂反铁磁性氧化物也具备室温铁磁性,从而扩展了磁性半导体的范围。在开发掺杂反铁磁氧化物的基础上,引入新方法探索材料微观结构与磁学行为的关联机理。采用磁控溅射、热处理两步法在Si单晶基片上获得CuO薄膜,将静态强磁场引入到样品的氧化结晶过程中。强磁场促进薄膜晶粒细化,提高致密性,改善结晶质量。伴随磁场强度的增加,CuO薄膜的室温铁磁性急剧减弱直至消失,而交换偏置场幅度不断增加。材料微观结构和变温磁性能测试结果表明,静态强磁场的取向作用和对扩散的抑制作用共同导致上了述现象的出现。本研究结果为调控纳米体系的磁学行为提供了新途径。


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