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Zn_（1-x）Mn_xO磁性球壳结构的制备及光学磁学性质研究

作　者: 林星星
导　师: 沈文忠
学　校: 上海交通大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 稀磁半导体 锰掺杂ZnO磁性球壳结构 化学气相沉积 光学性质 磁学性质
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


稀磁半导体近年来凭借其在理论研究和实际应用的潜在价值受到了密切关注。和其他过渡金属掺杂的ZnO材料相比,锰掺杂有其自身的优势,比较大的单个离子磁矩以及与锌离子离子半径差异较小。但是,目前的文献报道主要集中在锰掺杂ZnO薄膜,纳米线,纳米颗粒等结构上,据我们所知,目前还没有关于掺杂ZnO磁性球壳结构的报道。而球壳结构在声子器件,药物传输,活性材料胶囊,离子嵌入,表面功能团,高活性催化剂或携带者,以及尺寸可选择的反应等方面存在潜在的规模应用,故制备掺杂的ZnO磁性球壳结构可以在自旋器件方面发挥重要作用。本文通过化学气相沉积方法（CVD）在空气中制备了具有室温铁磁性锰掺杂ZnO磁性球壳结构。在我们的实验过程中,由于合理的实验安排,在合适的温度下,不仅可以实现反应物的有效蒸发,也可以保证在锰掺杂ZnO层内的Zn源可以进一步被蒸发,此外,也可以避免在衬底上形成锰相关的氧化物以及锌锰的第二项。为了更好的研究锰掺杂ZnO磁性球壳结构的形成机制,我们也研究了不同反应时间和反应温度对形貌的影响。我们通过扫描电子显微镜（SEM）,高分辨透射电镜（HRTEM）, X射线衍射（XRD）, X射线能谱（EDX）等手段,研究了样品的形貌,结构和成分,证实了锰离子已经成功地掺杂入ZnO晶格中。对于掺杂的样品,拉曼光谱中出现了一个新的振动模,大约在520-530 cm-1附近,而且这个振动模的强度随着锰掺杂浓度的增加而增强。我们认为这个振动模是由于锰的掺杂而引起的晶格缺陷导致的。对样品光致发光光谱的多峰洛伦兹拟合表明其中有一个发光峰和锰离子3d轨道电子从基态6A1（G）跃迁到激发态4E（G）有关。从光致发光光谱中,我们同样可以得到样品中的晶格缺陷随着锰掺杂浓度而渐渐增加。磁性测量表明,样品都具有室温的铁磁性。掺杂浓度为2.43%的样品具有最大的饱和磁矩。我们把铁磁性的来源归结为锰离子之间的铁磁耦合。电子顺磁共振实验,进一步证实了锰离子掺杂入ZnO这个事实,同时对谱线的积分也表现出和磁滞回线结果相同的现象。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-28
  1.1 引言  9-10
    1.1.1 物质的磁性  10
  1.2 稀磁半导体  10-17
    1.2.1 稀磁半导体中的磁性来源  11-15
    1.2.2 稀磁半导体的光学、磁光与输运性质  15-16
    1.2.3 稀磁半导体的应用前景  16-17
  1.3 稀磁半导体分类  17-22
    1.3.1 TiO_2 基稀磁半导体  17-18
    1.3.2 ZnO 基稀磁半导体  18-22
  1.4 选题依据  22-24
  参考文献  24-28
第二章 Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳结构的制备和表征  28-40
  2.1 引言  28
  2.2 实验  28-31
    2.2.1 热蒸发法  28-30
    2.2.2 基片的清洗  30-31
  2.3 测试仪器及方法  31-39
    2.3.1 X 射线衍射谱  31-32
    2.3.2 透射电子显微镜  32-33
    2.3.3 扫描电子显微镜  33-34
    2.3.4 能量色散X 射线谱  34-35
    2.3.5 光致发光光谱  35-36
    2.3.6 显微拉曼光谱  36-37
    2.3.7 电子顺磁共振  37-39
  参考文献  39-40
第三章 形貌可控Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳结构的制备和机理  40-55
  3.1 实验设计、装置和样品的制备  42-46
  3.2 Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳结构的成份及晶格结构  46-50
  3.3 Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳结构的形成机理  50-51
  3.4 本章小结  51-53
  参考文献  53-55
第四章 Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳结构光学性质的研究  55-70
  4.1 掺杂ZnO Raman 谱的研究现状  56-60
  4.2 Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳Raman 光谱研究  60-61
  4.3 掺杂ZnO 发光光谱的研究现状  61-65
  4.4 Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳光致发光光谱研究  65-66
  4.5 本章小结  66-68
  参考文献  68-70
第五章 Zn_(1-x)Mn_xO 磁性球壳结构磁学性质的研究  70-78
  5.1 磁滞回线  73-74
  5.2 电子顺磁共振谱  74-75
  5.3 本章小结  75-76
  参考文献  76-78
第六章 结论  78-79
致谢  79-80
攻读硕士学位期间发表的论文  80-83
上海交通大学硕士学位论文答辩决议书  83

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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