磁性半導體(In-,1-x-Fe-,x-)-,2-O-,3-與xFeTiO-,3--(1-x)Fe-,2-O-,3-的制備、結構和磁性的研究.pdf

1、磁性半導體被認為是制造下一代自旋電子器件的候選材料之一。一種獲得磁性半導體的方法是將磁性原子注入到半導體中，使磁性原子之間產生交換相互作用，形成具有鐵磁性的稀釋磁性半導體(Diluted Magnetic Semiconductor-DMS)。對于早期研究的DMS，它們的居里溫度(Tc)通常較低(＜110K)，不能在實際中應用。2000年，Dietl通過Zener模型和平均場理論預測在P型寬禁帶半導體ZnO中摻雜5％的Mn磁性離子，有望

2、獲得高于室溫的鐵磁性。緊接著在2001年，Y.Matsumoto等人報道少量Co摻雜的寬禁帶半導體TiO2具有高于室溫的鐵磁性(Tc＞400K)，自此以后，關于氧化物稀磁半導體的室溫鐵磁性得到了廣泛的研究。然而對于氧化物稀磁半導體的鐵磁性具體來源目前仍然不清楚：有人認為鐵磁性來源于樣品的內稟性質，其產生機理主要分為三種：第一種是由載流子誘導的鐵磁交換耦合，如RKKY交換作用。第二種是與樣品中的缺陷有關，具有代表性的是局域極化子(BMP)

3、模型，第三種是傳統(tǒng)的交換作用模型，比如雙交換相互作用。另外，還有人認為鐵磁性來源于樣品中的鐵磁性團簇或污染物，但這不是樣品的內稟性質。因此深入研究氧化物稀磁半導體的鐵磁性來源對于基本問題的認識和它們將來的應用都具有重要的意義。對于另外一種磁性半導體材料FeTiO3-Fe2O3固溶體來說，它們本身就具有內稟的鐵磁性，并且具有良好的半導體性質。但是關于磁性半導體FeTiO3-Fe2O3固溶體的研究目前只停留在固相反應和真空濺射制備的塊體和薄

4、膜材料上，所以研究化學法制備磁性半導體FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末將有助于開拓這種材料的應用范圍和性質研究。本論文研究的是稀磁半導體Fe摻雜In2O3的磁性及其來源和磁性半導體FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末的化學制備方法。我們采用溶膠-凝膠法制備Fe摻雜In2O3粉末樣品，采用化學共沉積法制備FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品。利用Mossbauer譜、X射線光電子譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、振動樣品磁強計(VSM

5、)等手段，系統(tǒng)地研究了Fe摻雜In2O3和FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品的微結構和磁性，得到的主要結果如下：
　　 1.(In1-xFex)2O3樣品對于溶膠-凝膠法制備的(In1-xFex)2O3粉末樣品，系統(tǒng)地研究了產生鐵磁性的各種條件以及鐵磁性的來源。
　　 1.1通過溶膠凝膠法制備的(In1-xFex)2O3粉末樣品，其Fe離子最高溶解度可達50％，這一結果遠遠高于目前其它文獻報道的值(25％)。利用XR

6、D精修和Mossbauer譜第一次研究了Fe離子在In2O3晶格中的占位信息。結果表明，當Fe離子濃度很低時，F(xiàn)e離子在In2O3晶格中擇優(yōu)占據(jù)24d晶位，隨著Fe離子濃度的升高，F(xiàn)e離子慢慢趨向隨機占據(jù)24d和8b晶位。這一結果為以后深入研究Fe離子在In2O3中的磁行為提供了有用信息。
　　 1.2為了在(In1-xFex)2O3樣品中獲得鐵磁性，我們分別利用了真空退火和Sn共摻雜兩種方法，發(fā)現(xiàn)真空退火可以誘導出鐵磁性，而S

7、n共摻雜沒有誘導出鐵磁性，這一結果說明在(In1-xFex)2O3樣品中，可以通過引入氧空位而不是載流子來誘導鐵磁性。
　　 1.3為了注入氧空位并誘導鐵磁性，我們第一次利用碳熱還原方法來處理(In1-xFex)2O3樣品，獲得了居里溫度高達786K且磁矩可達1.4μB/Fe的鐵磁性，而且鐵磁性的強弱可以通過碳劑量來調節(jié)。利用XPS分析，我們得出鐵磁性來源于氧空位誘導的二價Fe離子與三價Fe離子之間的雙交換作用。
　　

8、1.4第一次利用簡單的分解聚四氟乙烯方法來實現(xiàn)對(In1-xFex)2O3樣品的F離子摻雜，并由此獲得了即使在高溫空氣中也很穩(wěn)定的鐵磁性。通過XPS等實驗證實，F(xiàn)摻雜誘導了二價Fe離子產生，鐵磁性來源于二價Fe離子與三價Fe離子之間的雙交換作用。
　　 2.FeTiO3-Fe2O3固溶體樣品第一次利用了化學共沉積方法制備出純相亞鐵磁半導體FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品。
　　 2.1我們發(fā)現(xiàn)要制備出純相的FeTi

9、O3-Fe2O3固溶體，必須使用Fe3+和Fe2+混合鹽作為源材料，并要盡可能保證Fe2+在整個制備過程中不能被氧化為Fe3+。制備過程之前通過加熱來除去水中溶解的氧，在共沉積和熱處理過程中利用Ar氣作為保護氣體防止Fe2+被氧化，最后成功制備出純相FeTiO3-Fe2O3固溶體粉末樣品。
　　 2.2對于xFeTiO3-(1-x)Fe2O3樣品，當x＜0.5時，由于Ti離子的無序分布材料為反鐵磁性，我們利用磁場退火方法處理了x