稀土掺杂III族纳米氮化物稀磁半导体的制备与高压研究

稀磁半导体(DMS)是能同时利用载流子的自旋和电荷两种自由度将磁、电集于一体的半导体。最近人们发现在一些半导体材料中掺入非磁性杂质也具有铁磁性，并有可能具有很高的转变温度（Tc），这为寻找室温自旋电子学材料开辟了一条新的途径。目前DMS的研究多局限在薄膜上，对其纳米材料的制备与研究还少有报道，而且人们对这类材料中磁性起源的认识并不充分。本项目拟在已有稀土掺杂AlN室温稀磁半导体纳米晶研究工作的基础上，对稀土元素掺杂III族纳米氮化物稀磁半导体的制备与性质进行系统地研究，弄清不同稀土掺杂、同种掺杂不同浓度和基质材料的不同纳米结构和形貌等对其光、电和稀磁性等物理性质的影响规律，探索这类材料中磁性来源的普适性；利用压力有效改变物质性质的优势，采用金刚石压砧高压实验技术，研究这类材料在高压下的结构、光学和磁性变化规律，探索利用压力对其物理性质进行调控的可能性，为制备高Tc的稀磁半导体提供实验依据。

建立了利用直流电弧等离子体制备稀土掺杂III族纳米氮化物稀磁半导体的新方法，制备出多种奇异形貌和低维结构的稀土掺杂III族纳米氮化物稀磁半导体。包括：AlN:Sc单边梳结构，AlN:Sc双边以及六重对称纳米结构，AlN:Y准阵列微米棒状结构，AlN:Y纳米线，AlN:Y梭形纳米颗粒等。对这些纳米结构的生长机制、光学特性进行了系统地研究。分析了它们的磁性来源，探讨了掺杂浓度对于磁性的影响；并通过计算不同掺杂浓度下不同数目空位的形成能，探索和验证制备新型稀磁半导体材料的可行性途径。在稀土掺杂AlN:Sc和AlN:Y纳米六棱柱以及纳米线的原位角散高压同步辐射X射线衍射研究中发现，他们均在较低压力下，发生由六方纤锌矿结构向立方岩盐矿结构的相变，相变过程不可逆。分析了掺杂离子浓度、半径大小对相变压力的影响原因，总结出稀土掺杂AlN纳米材料在高压下的结构相变规律。. 利用直流电弧等离子体方法制备出AlN:Co纳米线，AlN:Co 树枝状结构，AlN:Co 分级结构和AlN:Mg纳米线，不同形貌、尺寸的AlN:Mg纳米棒，以及GaN:Mn纳米颗粒和花瓣状纳米结构。对这些掺杂氮化物的生长机制、光学性质与振动光谱进行了系统的研究，分析了它们的磁性来源。在AlN:Mg 和 AlN:Co 纳米线的原位角散高压同步辐射X射线衍射研究中发现，它们在 17.7GPa和15.0GPa 时分别发生了纤锌矿到岩盐矿的结构相变。通过对它们的原位高压研究总结了掺杂对其相变压力的影响规律。. 进行了稀土金属氮化物（ScN、YN）的制备与高压物性研究。利用直流电弧等离子体方法制备出立方体或长方体的单晶ScN和多晶YN。ScN和YN的原位的原位高压同步辐射X射线衍射研究表明，它们都具有较高的体模量，在实验最高压力（53.5GPa）范围内均保持初始的晶体结构，没有发现结构相变发生。. 通过项目的实施，在稀土掺杂III族纳米氮化物稀磁半导体的制备与高压物性方面获得了创新成果。较好的完成了项目的研究任务。