Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性研究

采用共沉淀方法制备了名义组分为Zn_1-xMn_xO(x=0.001,0.005,0.007,0.01)的Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料,并研究了在大气气氛下经过不同温度退火后样品的结构和磁性的变化.结果表明：样品在600℃的大气条件下退火后, 仍为单一的六方纤锌矿结构的ZnO颗粒材料;当样品经过800℃退火后,Mn掺杂量为0.007,0.01的样品中除了ZnO纤锌矿结构外还观察到ZnMnO₃第二相的存在.磁性测量表明,大气条件下600℃退火后的样品,呈现出室温铁磁性;而800℃退火后的样品,其室温铁磁性显著减弱,并表现为明显的顺磁性.结合对样品的光致发光谱的分析,认为合成样品的室温铁磁性是由于Mn离子对ZnO中的Zn离子的替代形成的. 关键词： ZnO 掺杂 稀磁半导体 铁磁性     

非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究

利用金属有机源化学气相沉积技术, 通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法, 在蓝宝石上外延了Mn, N共掺ZnO薄膜. X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向. ZnMnO:N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失. 同时van der Pauw法Hall效应测量表明, 通过逐步对C的抑制, 样品由n型导电转变成p型导电, 这主要是由于C与N形成复合体取代O位(CN)O, 具有最低形成能且充当浅施主. 对N, Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N, Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化, 表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用, 形成磁性束缚激子产生磁矩. 一旦引入C后, C, N形成复合体取代O位, 导致体系磁性减弱或者消失. 模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明: 对于Mn, N共掺ZnO薄膜样品, 引入C与N形成复合体取代O位, Mn, N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失. 因此, Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn, N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.     

退火氛围对掺杂ZnO薄膜磁性的影响

采用直流磁控反应共溅法制备了非磁性元素Al和磁性元素Co掺杂的ZnO薄膜, 样品原位真空退火后再空气退火处理. 利用X射线衍射仪(XRD) 和物理性能测量仪(PPMS) 对薄膜的结构和磁性进行了表征. XRD和PPMS结果表明, 不同的退火氛围对掺杂薄膜的结构和磁性有着很大的影响. 真空退火的Al掺杂ZnO薄膜没有观察到铁磁性, 而空气退火的样品却显示出明显的室温铁磁性, 铁磁性的来源与空气退火后导致Al和ZnO基体间电荷转移增强有关. 而对于Co掺杂ZnO薄膜, 真空退火后再空气退火, 室温铁磁性明显减弱. 其磁性变化与Co离子和ZnO基体间电荷转移导致磁性增强和间隙Co原子被氧化导致磁性减弱有关.     

溶胶凝胶合成锰掺杂ZnO的室温磁性行为

通过溶胶凝胶自燃法合成锰掺杂氧化锌纳米晶体, 研究了Mn掺杂ZnO稀磁半导体(简称DMS)的性质．X射线衍射光谱表明,锰掺杂氧化锌保留纤锌矿型状氧化锌六角晶体结构．采用能量色散X射线能谱和扫描电子显微镜分别对成分和形态进行研究．温度依赖的电阻率显示了DMS的半导体材料行为．振动样品磁强计测定的室温磁性行为,揭示了锰掺杂氧化锌的铁磁性和反磁性特性.     

Co掺杂的ZnO室温铁磁半导体材料制备与磁性和光学特性研究

采用溶胶-凝胶法制备出具有室温铁磁性的Co掺杂的ZnO稀磁半导体材料. 通过对样品的结构、磁性和发光特性的研究发现,样品具有室温铁磁性,并发现其铁磁性源于磁性离子对ZnO中Zn离子的取代. 对不同温度制备的样品的磁性以及其发光特性的变化研究发现,样品的铁磁性与样品中锌间隙位（Zn_i）缺陷的密度有关. 关键词： ZnO 稀磁半导体 铁磁性     

脉冲磁场对水热法制备Mn掺杂ZnO稀磁半导体的影响

本文以Zn(CH₃COO)₂·2H₂O, Mn(CH₃COO)₂·4H₂O和氨水缓冲溶液为原料, 在4 T脉冲磁场下利用水热法制备了Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体, 通过X射线衍射、 扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、荧光分光光度计及振动样品磁强计等对样品的微观结构及磁性能等进行了表征, 结果表明: Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体仍保持ZnO六方纤锌矿结构, 4 T脉冲磁场下合成的Mn掺杂ZnO稀磁半导体晶体具有明显的室温铁磁性, 其饱和磁化强度(M_s)为0.028 emu/g, 比无脉冲磁场下制备的样品提高一倍以上, 且4 T 脉冲磁场将样品的居里温度提高了15 K.     

Co和Mn共掺杂ZnO铁磁性的第一性原理

基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),对Co单独掺杂ZnO和(Co,Mn)共掺杂ZnO的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了纤锌矿结构ZnO、Co-ZnO及(Co,Mn)共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度,并对此进行了详细的分析。计算结果表明,ZnO中单独掺杂Co元素显示出铁磁性行为,Mn的引入减弱了Co-ZnO的铁磁性。     

Ag掺杂氧化锌纳米材料的制备及高压相变拉曼光谱研究

宽禁带直接带隙半导体材料氧化锌（ZnO）,具有优异的光电性能、机械性能和化学特性。ZnO材料的结构对其性能影响较大,元素掺杂可改变ZnO晶体结构和带隙宽度,是提升ZnO材料性能的有效手段,当前常用Ag掺杂ZnO即为提高光催化反应效率。高压独立于温度、成分,是调控材料结构组织性能的重要手段,是产生新材料、发现新调控原理的重要因素。该研究通过对比纯ZnO晶体和Ag掺杂ZnO晶体的高压相变行为,揭示了元素掺杂对ZnO纳米晶体材料结构性能的影响。研究首先采用水热法辅助制备纯ZnO纳米微球和Ag掺杂ZnO纳米微球（1∶150Ag/ZnO）,表征结果显示水热法合成的纯ZnO和1∶150Ag/ZnO均为六角纤锌矿晶体结构,形貌均为几十纳米尺寸小颗粒堆积形成的微球,ZnO晶格常数随着Ag离子掺杂而变大,Ag掺杂导致ZnO晶格膨胀。随后应用金刚石压腔结合原位拉曼光谱技术测定了纯ZnO和Ag掺杂ZnO的高压结构相变行为。相比于纯ZnO拉曼峰,Ag掺杂ZnO的E₂（high）振动模式439 cm-1拉曼峰峰宽变窄,并呈现向低频方向移动的趋势,与无定形ZnO谱峰相近,表明Ag+取代Zn2+影响了Zn-O键,同时也影响了ZnO晶格结构的长程有序性。随体系压力增大,表征六角纤锌矿结构ZnO的拉曼特征峰439 cm-1出现瞬间弱化和宽化。压力增大至9.0 GPa时,纤锌矿结构ZnO拉曼特征峰439 cm-1消失,585 cm-1处出现新峰,ZnO晶体发生由六角纤锌矿向岩盐矿的结构转变。压力继续增大至11.5 GPa,新的拉曼峰显著增强,峰形变窄,同时向高波数方向移动,相变完成,岩盐矿结构ZnO性能稳定。1∶150 Ag/ZnO从六角纤锌矿结构到立方岩盐结构的相变压力为7.2 GPa,低于纯ZnO。相变压力降低表明晶体结构稳定性下降,可能的原因在于掺杂Ag导致ZnO晶格膨胀,晶体结构松弛,两相相对体积变化增加,从而导致相变势垒降低,使样品在较低压力下发生相变。纳米材料的高压研究揭示了元素掺杂对材料结构稳定性的影响,是纳米材料调控原理的潜在研究手段。     

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜的研究

使用对Zn₂N₃:Mn薄膜热氧化的方法成功制备了高含N量的Mn和N共掺ZnO的稀磁半导体薄膜.在没有N离子共掺的情况下,ZnO:Mn薄膜的铁磁性非常微弱;如果进行N离子的共掺杂,就会发现ZnO:Mn薄膜在室温下表现出非常明显的铁磁性,饱和离子磁矩为0.23 μ_B—0.61 μ_B.这说明N的共掺激发了ZnO:Mn薄膜中的室温铁磁性,也就是受主的共掺引起的空穴有利于ZnO中二价Mn离子的铁磁性耦合,这和最近的相关理论研究符合很好. 关键词： 磁性半导体 受主掺杂 空穴媒介的铁磁性     

高压下BiPbSrCaCuO超导陶瓷材料的显微结构

 本文通过扫描电子显微镜等实验手段，研究了Bi系超导材料在不同制备条件下的显微结构，着重分析了压力下（冷压、热压）样品显微结构的变化。经过压力处理，超导晶粒的平均尺寸显著降低，气孔率大幅度减少，样品密度得以极大提高，达理论密度的90%~95%。在经冷压、热压处理的样品中可见到明显的晶粒择优取向排列，其形成机制是压力下的塑性流变以及晶粒的各向异性生长趋势。     

高密度聚乙烯（HDPE）在静高压下的结晶研究

 高密度聚乙烯（HDPE）在1~2 GPa的静高压下发生熔体结晶。实验中HDPE从熔融态以5 ℃/min的速率冷却。对经过高压处理后的样品在大气压下进行了DSC，SEM和WAXD测量。测量结果表明，高压后的HDPE的结晶度由原来的68.2%提到89.9%。<100>方向的伸直链晶体的存在，静高压和温度的控制是形成PE伸直链晶体的关键。     

氧化物超导体的高压热处理及烧结

 本文利用高温高压条件，对氧化物超导体进行了不同条件的高压热处理及烧结。发现对SrLa(CuAg)₁O_x在空气中烧结的超导体，适当条件的高压热处理，使T_c从20 K提高到28 K。在Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ系氧化物中，无论是对空气中烧结的已超导样品的高压热处理，或者直接在高压下烧结样品，均未使T_c得到提高，但是，经过高压烧结，超导样品的硬度显著提高，密度也有所增加，并且改变了超导相的晶格常数。     

低密度硅橡胶冲击雨贡纽曲线测量

 采用阻抗匹配法测量了两种低密度（ρ₀＝0.45 g/cm³和ρ₀＝0.47 g/cm³）硅橡胶在2.5~15 GPa压力范围内的冲击雨贡纽参数，p-u_p和u_s-u_p曲线，并采用最小二乘法拟合出C₀，λ′和λ″的值。实验结果与理论预估值符合较好。     

采用真空热压技术制备纳米金属钨块体材料

 采用真空热压技术,在570 ℃和1 GPa的条件下成功制备具有单相α-W结构、平均晶粒尺寸为34 nm、尺寸为Φ10 mm×1 mm的难熔金属钨纳米块体材料,其密度为理论密度的88.8%,显微硬度为4.8 GPa。纳米金属钨的密度和显微硬度随热压温度、热压压强和热压时间增大而升高。     

用超声方法研究PSZT铁电陶瓷在高压下的相变

 用超声脉冲回波重合方法研究了具有垂直铁电（F），反铁电（AF）相界的PSZT三元系材料在高压下的相变。发现此种材料在较低压力下都有一级相变发生，并且是可逆相变。伴随着相变的发生，声速和声衰减都有较大的变化。本文对实验结果进行了初步的讨论。     

高温高压合成的SrSiO3:Eu3+Bi3+的结构及其对发光特性的影响

 本文首次报道在3.15 GPa、1 200 ℃高温高压条件下合成出了SrSiO₃:Eu³⁺Bi³⁺发光材料，并与常压合成产物相比较，研究了高温高压合成产物的结构以及合成压力、温度对发光特性的影响。结果表明，高压合成产物SrSiO₃:Eu³⁺Bi³⁺的结构为膺正交（单斜）结构，而常压合成的为六角结构，高压使发光强度下降，量子发光效率下降了88%，谱线红移达756 cm^-1，半值宽度也显著增加，发光性能的改变是由于压致结构的变化引起的。     

一种多孔铁的高压声速和冲击熔化

 用冲击加载手段对一种多孔铁材料的高压声速进行了研究。研究结果表明,该多孔铁材料的冲击熔化压力范围在122～157 GPa之间,利用多孔铁可以测得铁在200 GPa压力内的冲击熔化温度。     

超高压高温烧结中金刚石表面石墨化过程再研究

 通过3组模拟实验,考察了低压高温下金刚石表面石墨化条件和超高压高温条件下金刚石表面石墨化过程,发现在钴-碳共晶点以下、超高压高温烧结样品WC-Co基体附近区域金刚石表面已发生石墨化,XRD测试结果表明,超高压高温烧结过程中金刚石表面经历了石墨化初期、高峰期和抑制期三个阶段。     

水稻压致变异和高压对水稻生长发育的影响

 将高收获指数型优质籼稻（Oryza sativa L.）品种“粤香占”种子在不同条件下进行了3个生长周期的高压种子处理和实验室种植试验。稻种经高压处理后,与对照样品相比,当代种子发芽和秧苗成长较慢且植株个体差异较大;后期生长较快,分蘖数及产量与对照样持平或有所增加。受压样品产生了4种新的植株变异,其中2种为不育植株,另外两种变异植株种植至F2及F3代,变异性状都能稳定遗传。表明高压不仅可以对水稻当代植株生理产生明显的影响,而且可以诱导水稻产生明显和稳定的可遗传变异。