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稀磁性半导体Co_xSn_(1-x)O_2纳米线的制备、微结构和磁性的研究

尹晶磊  
【摘要】: 磁性半导体被认为是下一世代利用电子的自旋自由度制造微电子元件的主要材料,有很好的应用前景。磁性半导体通常是将磁性元素注入Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族的半导体中而形成,其中最受瞩目的是稀释磁性半导体(Diluted Magnetic Semiconductor-DMS)。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。但大部分工作都集中在薄膜和块状材料的制备和表征上,而一维结构的稀磁半导体材料制备方面的工作还比较少。纳米结构的稀磁半导体,被设想为自旋电子学器件的关键组成元件。在很大程度上,稀磁半导体纳米结构中的自旋效应还没有被开发。如果能找到简单易行的办法制备高质量的稀磁半导体纳米结构,那么这个领域的实际应用就很容以实现了。SnO_2是很受关注的半导体氧化物,其禁带宽度为3.6eV。具有光学透明性、导电性、化学敏感性使SnO_2有广泛的应用,包括:太阳能电池、催化剂、气敏材料等。 本文采用化学气相沉积法分别制备了SnO_2和Co_xSn_(1-x)O_2纳米线样品,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(XRID)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色散谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、振动样品磁强计(VSM)等表征手段,对SnO_2和Co_xSn_(1-x)O_2纳米线样品进行了系统的研究,详细研究了样品的微结构、形貌以及磁性。 主要结论如下: 1.利用催化剂辅助,在Si衬底上沉积了SnO_2纳米线样品,所得纳米线相互重叠,表面光滑,直径分布在50-200nm之间,大部分直径约为100nm左右,在轴向上直径没有明显变化,长度可达几百微米。通过紫外—可见光谱测得SnO_2纳米线的禁带宽度约为3.66eV,相对于块体材料发生蓝移。 2.研究了各种试验条件对SnO_2纳米线生长的影响,纳米线的形貌敏感的依赖于试验条件,其中O_2气流量、Ar气流量、催化剂尤为重要。 3.讨论了这些SnO_2纳米线的生长机制,认为是气—液—固机制控制其生长,纳米线的直径受催化剂颗粒大小控制。 4.利用化学气相沉积法,在Si衬底上沉积了CO_xSn_(1-x)O_2纳米线样品,其形貌与所沉积的SnO_2纳米线相似,直径在30nm-200nm之间,但长度要小很多,说明Co的掺入抑制了纳米线的生长。其机理仍是VLS机理,受到催化剂Au纳米液滴的限制。 5.Co_xSn_(1-x)O_2纳米线样品的常温磁化曲线上可以观察到明显的磁滞,表明样品具有室温铁磁性,磁矩可达1.8μ_B/Co,并且随着掺入量的增加磁距急剧减少,说明掺杂量对磁距的影响非常大。 6.通过XRD测试没有发现Co单质或氧化物的峰,而且透射电镜的观察照片中也没有发现磁性团簇,初步认为本文中观察到的铁磁性是由于Co离子掺入SnO_2晶格中而形成的,而非Co团簇或杂相。


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