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氧化锌半导体材料的掺杂技术


氧化锌半导体材料掺杂技术与应用 氧化锌稀磁半导体的磁性来源及机理
现已有不少关于制备得到室温 ZnO 稀磁半导体的报道,但对于磁性来源和机理等问题 仍然存在较大争议。目前,关于磁性的来源已经有多种理论,但至今尚未有一种理论能够解 释所有的现象,其中比较流行的是载流子中介交换理论和建立在材料缺陷基础上的 BMP (Bound Magnetic Polaron)理论。 一、磁性团簇模型 有的研究者认为, 磁信号的来源可能有磁性杂质的混入, 是测量时的人为因素及第二相 的形成所导致的。 二、载流子交换理论 1、RKKY 交换所用:该理论认为,磁性离子和导带上的电子进行交换耦合作用,导带电 子被极化,其自旋极化随着与磁性离子的距离以震荡方式衰减。这种震荡,导致了两个磁性 离子间的间接超交换(RKKY)作用,可以是自旋平行的(铁磁态) ,也可以是自旋反平行 (反铁磁态) ,由两个磁性交换离子的具体情况而定。该理论对于局域束缚载流子的情况不 太适用。 2、Zener 载流子间接交换作用,该理论认为,载流子能作为局域磁矩之间以及局域磁 矩和自由电子的作用媒介参与交换,价带中的自旋轨道耦合决定了居里温度的量级和 P 型 DMS 的易极化轴的取向 3、Zener 双交换作用,不同价态下的相邻铁磁性离子通过氧原子进行间接交换耦合作 用,由于平行排列的磁矩可以让电子从低能态离子转移到高能态离子,故磁矩平行排列,有 利于体系能量降低。 三、BMP 理论 完整单晶结构的过渡金属掺杂的 ZnO 薄膜几乎不显示磁性,说明结构缺陷与磁性有一 定关系。有些研究者认为,O 空位(Vo)和 Zn 间隙(Zni)与室温铁磁性有着重要关系。束缚 磁激子是在较低束缚载流子浓度下,由一定范围内的一些过渡金属离子排布成的自旋阵列。 由局域化的空穴对周围过渡金属原子起作用,使得所有自旋同时同向产生一个有效的磁场, 从而产生铁磁效应。

氧化锌稀磁半导体掺杂体系
按照掺杂元素的不同,ZnO 基 DMS 可以分为几种体系:Mn 掺杂体系、Co 掺杂体系以 及其他过渡金属掺杂体系(如 Sc、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Cu 等) 。其中,Mn 掺杂体系、Co 掺杂体系由于具有较高的固溶度、 高的室温磁矩、 强的室温磁信号、 稳定性相对较好等特点, 一直是 ZnO 基 DMS 材料中研究最多的,目前 ZnMnO 报道的最大饱和磁矩达到 4.8μ B, ZnCoO 为 18.9Μ b。


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