过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体铁磁特性研究进展

ZnO基稀磁半导体是目前研究的热门课题,关于3d过渡金属掺杂(transition-metal-doped)ZnO的室温铁磁性有很多报道.本文对不同方法和不同条件制备的过渡金属掺杂的ZnO基稀磁半导体的磁性和相应机理进行了综述.     

非磁性元素掺杂ZnO稀磁半导体研究进展

ZnO基稀磁半导体的磁性来源和机理一直是研究的热点和难点.传统的磁性3d过渡族元素掺杂ZnO容易形成铁磁性的第二相,而非磁性元素掺杂可以很好的避免这一弊端,是研究稀磁半导体磁性来源和机理的理想体系.而且理论计算和实验方面已经报道了室温以上的铁磁性.本文从实验上和理论上综述了非磁性元素掺杂ZnO基稀磁半导体最近的研究进展.     

超声喷雾热解法制备稀磁掺杂ZnO薄膜的研究

近年来,基于ZnO稀磁半导体在自旋电子器件方面的潜在应用价值,过渡金属掺杂的ZnO材料被广泛研究.但由于p型ZnO材料的制备非常困难,获得具有室温以上居里温度的Mn掺杂p型ZnO基稀磁半导体仍然是个难题.在N-In共掺杂成功实现ZnO薄膜p型掺杂的前期研究基础上,本研究采用超声喷雾热解(USP)法在Si基底上制备了Zn1-x,MnxO系列薄膜样品.X射线衍射表明所有ZnO薄膜样品都具有纤锌矿结构,没有发现其他物相的衍射峰存在.薄膜形貌研究发现,样品中的颗粒分布均匀.磁性测量表明N-Mn-In掺杂的样品显示出室温铁磁性.对N-Mn共掺杂和N-Mn-In掺杂的样品进行热处理后,发现薄膜的铁磁性能与薄膜中的空穴载流子具有直接的关联,这一现象与Mn掺杂的p型ZnO会显示室温铁磁性的理论预测是一致的,并用束缚磁性极化子模型解释了ZnO薄膜的铁磁性来源.     

Fe、Ni掺杂ZnO纳米棒的水热法制备与磁性能研究

采用水热法制备稀磁半导体材料,样品Zn0.95 Fe0.05O和Zn0.95Fe0.03Ni0.02O的XRD图谱和TEM图谱发现,样品具有纤锌矿结构,形貌为纳米棒状结构.XEDS分析显示,掺杂的Fe和Ni元素进入到了ZnO晶体中.RAMAN光谱表明,Zn2+被Fe2+、Ni2+替换,晶体发生拉曼光谱红移.PL光谱分析发现,在室温条件下,随着Fe2+和Ni2+的掺杂,出现了猝灭现象.VSM测量显示,掺杂样品在室温条件下存在明显的铁磁性,且这种铁磁性属于稀磁半导体的内禀属性.实验结果表明在水热法条件下,获得了ZnO基稀磁半导体材料样品,且样品具有良好的光学和磁学特性,为进一步研究稀磁半导体材料提供了一定的参考.     

基于第一性原理的Gd掺杂ZnO电子结构与吸收光谱研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂ZnO和两种Gd掺杂浓度的ZnO模型.结构优化后,对各个模型的电子结构、态密度及吸收光谱进行了计算,其中Gd掺杂模型分别采用电子自旋极化与电子非自旋极化两种处理方式.结果表明:电子非自旋极化条件下,Gd掺杂在ZnO禁带中引入杂质能级,ZnO带隙变宽,导致相应的吸收光谱发生蓝移;考虑电子自旋极化时,Gd掺杂后的体系具有铁磁性,自旋电子在无序磁畴贡献的局部磁场内发生自旋能级分裂,使得带隙变窄,相应吸收光谱发生红移.     

水热合成Zn_(0.9)Ni_(0.1)O稀磁半导体粉体

采用水热法,以3 mol/L的KOH作为矿化剂,在260℃下,保温24 h左右,进行Ni掺杂(x=0.1 mol),合成Zn1-xNixO稀磁半导体晶体。XRD测试表征以KOH作为矿化剂能够制备出发育良好的Zn0.9Ni0.1O稀磁半导体晶体,没有其它杂质相的产生。通过UV/Vis测试进一步说明掺杂的效果,掺杂使ZnO的禁带宽度降低至3.18 eV。FE-SEM测试显示所制备的晶体呈现长柱状。VSM测试表明,所制备的样品Zn0.9Ni0.1O在室温下表现出铁磁性。文章采用水热法制备出了具有铁磁性能的稀磁半导体粉体。     

氧化锌晶体的研究进展

基于ZnO的紫外激光器的实现掀起了对于传统的纤锌矿结构的半导体ZnO材料的新的研究热潮.ZnO以其优良的综合性能将成为下一代光电子材料,因此对ZnO单晶的研究有重要的理论和实践意义.目前生长ZnO的方法有助熔剂法、水热法、气相法和坩埚下降法等等,但所生长的ZnO单晶的尺寸和质量都有待于提高.     

水热法制备ZnO晶体及纳米材料研究进展

纳米ZnO材料是新型宽禁带半导体材料,具有优良的光学及电学性能,在太阳能电池电极及窗口材料、声表面波材料、光电材料、敏感材料等方面得到广泛应用.纳米ZnO材料性能与制备技术有很大关系,本文综合评述了水热法制备纳米ZnO材料研究现状,研究了其制备特点及制备机理,从纳米ZnO晶体、阵列或薄膜、粉体三个方面制备实例研究了水热制备方法,最后探讨了纳米ZnO材料发展前景.     

稀磁Zn1-xNixO纳米棒的水热法制备与磁性能研究

采用水热法成功制备了不同浓度的Zn1-xNixO(x =0,0.01,0.05,0.10,0.20)稀磁半导体材料,并利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线能量色散分析(XEDS)、拉曼(Raman)光谱和振动样品磁强计(VSM)对其晶体结构、形貌、组成元素和磁学性能等进行表征,实验结果表明,本方法所制备的不同掺杂浓度的Zn1-xNixO稀磁半导体样品具有结晶良好的纤锌矿结构,没有杂峰出现,样品中的Ni2+全部进入ZnO晶格中替代了部分Zn2+的格点位置,生成单一相的Zn1-xNixO,样品形貌都为纳米棒状结构,分散性良好.Zn1-xNixO样品在室温条件下存在明显的铁磁性,饱和磁化强度都随着Ni2+掺杂量的增加而呈现出先增加后减小的趋势,同时样品的单个镍原子的磁矩是逐渐下降的.     

不同掺杂量对水热合成Zn1-xNix O稀磁半导体粉体的影响

本文主要考虑不同掺杂量对水热合成Zn1-xNixO稀磁半导体粉体的影响.采用水热法,以3 mol/L NaOH作为矿化剂,在240℃下,保温24 h左右,进行Ni掺杂(x=0.05,0.1,0.2),合成Zn1-xNixO稀磁半导体晶体.XRD、FE-SEM测试表征晶体的物相组成和晶体形貌,XRD表明所制备的zn0.95Ni0.05O稀磁半导体晶体发育比较完整.通过UV-vis测试进一步说明掺杂的效果.VSM测试表明,所制备的样品在室温下有良好的磁滞回线,表现出铁磁性.     

钙钛矿太阳能电池中ZnO电子传输层应用进展

ZnO材料作为一种n型无机半导体材料,ZnO具有优异的电子传输特性、较高的透光性、高导电率、常温制备等优点,是钙钛矿太阳能电池中常见的电子传输层材料.本文简单的介绍ZnO的制备方法,详细的介绍了ZnO薄膜在钙钛矿太阳能电池中的应用.     

氧化锌单晶生长、载流子调控与应用研究进展

氧化锌(ZnO)是一种历史悠久的材料,由于其微观结构非中心对称,最初被预测可以应用于压电和非线性光学领域,又因为它在室温下具有宽的禁带和高的激子束缚能,是一类重要的第三代宽禁带半导体材料,在半导体领域受到了广泛关注。然而,在实际应用中,ZnO在上述各个领域都遇到了一些瓶颈问题:在压电领域,原本被认为是绝缘的ZnO出现了意外的导电性;在非线性光学领域,ZnO的折射率差很小,难以获得好的相位匹配;在半导体领域,难以同时获得高载流子浓度、高迁移率、高热稳定性的p型ZnO。本文主要针对以上ZnO的应用前景及相关瓶颈问题进行了总结,并提出了适用于离子型化合物半导体的载流子调控普适性理论,即:载流子类型完全由材料的精细化学组分完整表达式来决定。这一规则将原本被认为是无关的材料精细化学组分完整表达式和载流子类型两个概念联系起来,在认识上具有很大的突破,并形成了材料科学研究的新范式。该范式成功指导了高绝缘和高热稳定性的n型ZnO单晶以及高迁移率掺Al∶ZnO薄膜的生长,并为高载流子浓度、高迁移率、高热稳定性p型ZnO的制备提供了新思路。近来,除了上述应用领域外,ZnO还被发现在超快闪烁体和中红外(MIR)透明导电窗口领域具有较大的应用贡献,并推测这些领域很可能领先于ZnO原本受到重视的研究领域而取得真正的应用进展。     

Sb-Na共掺p型ZnO的第一性原理研究

运用密度泛函理论,计算了Sbzn、Nazn、Sbzn-nNazn掺杂ZnO晶体的稳定性、能带结构和电子态密度.研究发现Sbzn、Nazn、Sbzn-nNazn掺杂ZnO晶体的结构稳定,Sb-Na共掺杂改善了体系的固溶度.能带结构表明,SbZn体系为n型间接带隙半导体材料;NaZn、Sbzn-2NaZn体系为p型半导体材料;Sbzn-NaZn、SbZn-3NaZn体系为本征半导体材料.对p型半导体材料体系的导电性能研究发现,Sbzn-2Nazn体系电导率大于NaZn体系的电导率,即Sbzn-2NaZn掺杂改善了体系的导电性.计算结果为实验制备p型ZnO材料提供了理论指导.     

直流溅射缓冲层生长ZnO/Si薄膜

ZnO是一种新兴的的宽禁带半导体材料,相对于传统的宽禁带材料有很多的优势.在相对成本低廉的Si衬底上生长ZnO薄膜是现在攻关的热门课题.目前用缓冲层方法生长ZnO薄膜取得了一些突破.本文利用直流溅射,先在Si衬底上溅射一层ZnO多晶薄膜,通过对直流溅射时间的控制,可以得到不同厚度的ZnO缓冲层.再利用MOCVD设备生长高质量的ZnO薄膜.通过研究发现,直流溅射ZnO薄膜的厚度对于最终的薄膜质量有很大的影响.随着缓冲层的引入,双晶衍射XRD的摇摆半宽有显著下降,并且随着最终ZnO薄膜质量上升,光致发光也有显著的提升.可见缓冲层的引入对ZnO/Si薄膜的质量和发光强度有很大的贡献.     

ZnO晶体研究的统计分析

ZnO晶体是近年来材料科学的研究热点.本文采用科学计量学方法对1997～2005年间发表的ZnO材料相关研究文章进行了分析.目前ZnO研究论文增长迅速,表明该材料其受到很高的关注程度,主要集中在薄膜和纳米两个研究方向.其中,纳米ZnO研究论文增长更快,成为热点中的热点.ZnO体单晶也呈增长趋势,主要集中在水热生长研究.     

玻璃微孔内ZnO的制备及表征

ZnO是一种重要的紫外半导体光电器件材料.本文用金属有机化合物在玻璃管内高温加热分解迅速拉制的方法,在直径为169μm的玻璃丝内成功的制备了直径为13μm左右的ZnO.并用X射线衍射和PL谱研究了玻璃微丝内的ZnO.结果发现ZnO为多晶且具有六方形结构,峰值波长在370nm的PL谱表明所制得的ZnO为体材料.     

ZnO微米刺球的CVD法生长及其在压电应力传感器中的应用

利用化学气相沉积(CVD)方法生长出一种新颖的氧化锌(ZnO)微米刺球状结构,并使用该结构制备出一种新型压电应力传感器件.使用半导体特性分析系统(Keithley 4200)对器件特性进行测试,结果表明该种器件对所施加的应力高度敏感,开关比高达约60,比目前多数ZnO基压电应力传感器件高出数倍,在应力检测和机电开关等领域有很好的应用前景.     

La掺杂量对ZnO光电性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波超软赝势方法和杂化泛函理论下的模守恒赝势方法,分别计算了未掺杂ZnO和两种La掺杂浓度的ZnO模型,其中对较高La掺杂浓度的计算还设置了两种不同的掺杂位置.结构优化后,首先通过计算形成能、系统总能量和电荷布居值,对掺杂后体系的稳定性进行了分析;而后结合自旋基态能量与自旋电子态密度对掺杂体系的磁性状态进行了说明;最后通过计算得到的电子结构及吸收光谱讨论了La掺杂量对ZnO光电性能的影响.结果表明:随La掺杂量增加,ZnO体系稳定性有所降低;La掺杂ZnO无磁性,电子结构不会受到自旋能级分裂的影响;与纯ZnO相比,La掺杂ZnO的禁带宽度增大,吸收光谱蓝移,然而通过控制La浓度与掺杂方式可以有效增强La-5d与Zn-4s电子态的交换关联作用而减小ZnO的最小光学带隙,提高ZnO对可见光的吸收系数,使光生空穴-电子对有效分离的影响.     

AlGaN基宽禁带半导体光电材料与器件

AlGaN基材料是带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料,是制备紫外(UV)光电子器件的理想材料.经过数十年的研究,目前已经在异质衬底外延生长AlGaN基材料、高效掺杂等方面取得了巨大进展.以此为基础,AlGaN基紫外光电器件制备领域也得到长足发展.在本综述中,主要介绍了高质量AlGaN基材料的MOCVD外延生长方法、掺杂方法以及近年来在紫外发光、紫外探测器件方面取得的进展.     

水热法合成Zn1-xNixO稀磁半导体

本文采用水热法,在温度430℃,填充度35%,矿化剂为3mol/L KOH,前驱物为添加适量N iC l2.6H2O的Zn(OH)2,反应时间24h,合成了Zn1-xN ixO稀磁半导体晶体。当在Zn(OH)2中添加一定量的N iC l2.6H2O为前驱物,水热反应产物为掺杂N i的多种形态ZnO混合晶体,对其个体较大的晶体中进行电子探针测量表明,前驱物中的添加量和晶体中实际掺入量有很大的差异,只有少量的N i离子掺入ZnO,最大N i原子分数含量为0.62%。采用超导量子干涉磁强计测量材料的磁性,发现在室温以下,晶体的磁化强度不随温度升高而下降。在室温下,存在明显的磁饱和现象和磁滞回线,说明具有室温下的铁磁性。