缺陷调制室温铁磁性ZnO半导体材料的离子束制备与极性调控

Wide band gap ZnO diluted magnetic semiconductors are the important supporting materials for the new generation of spintronic devices. It has been found that defects play an important role on the observed magnetism. In this project, ion implantation will be adopted to introduce magnetic and non magnetic ions in high quality ZnO films, and the distribution of the doped ions and the defect states introduced by implantation will be characterized by combined methods. The influence of defects on magnetism and the coupling effects between defect states and the local magnetic moment will be investigated systematically. . As there is no inversion symmetry along the c-axis in wurtzite ZnO, Zn-polar ZnO(0001) and O-polar ZnO(000–1) have opposite polarizations and differ both structurally and chemically. The influence of ZnO surface polarity on introducing defects during implantation process and on the resulting magnetism will be considered in this project. Theoretically, first-principles density functional calculations will be performed to calculate the geometries, electronic structures, and magnetic properties of these materials. By engineering the defect states theoretically and experimentally, we want to get a method to produce stable room temperature ferromagnetic oxides with good reproducibility by ion implantation and gain a better understanding on the origin of ferromagnetism in DMS oxides.

宽带隙ZnO稀磁半导体是新一代电子自旋器件的重要支撑材料。材料微观缺陷对其铁磁有序的形成起至关重要的作用，如何通过缺陷调控获得稳定可重复的室温铁磁性ZnO材料是自旋电子学领域具有重要意义的研究方向。同时，ZnO是一种强极性半导体，极性对材料中杂质和缺陷的引入具有重要的影响。本项目采用离子注入技术调控极性ZnO单晶薄膜中掺杂离子和缺陷态的分布和数量，通过宏观磁性测量与微观结构表征结合，系统研究磁性离子的局域磁矩与注入缺陷对磁性来源的影响以及极性对其调控作用，揭示缺陷铁磁性的形成机制，探索有助于形成稳定室温铁磁性的优化离子束调控方法；理论上采用第一性原理计算，结合实验结果，构建掺杂离子和缺陷态在不同极性ZnO中的局域结构，研究极性对注入缺陷分布和磁性的影响，揭示其机理并分析磁性起源。本项目对于高居里温度的稀磁半导体及其磁性机理的研究具有重要的科学价值和重大潜在应用前景。

ZnO稀磁半导体具有高于室温的铁磁性，在自旋电子器件领域具有重要的应用前景。材料微观缺陷对铁磁有序的形成至关重要。本项目采用离子注入技术调控极性ZnO薄膜和晶片中掺杂离子和缺陷态分布，通过实验研究与第一性原理计算结合，深入探讨了ZnO表面极性、载流子浓度、离子注入参数及退火条件对于辐照缺陷和铁磁有序形成机制的影响，获得了稳定室温铁磁性ZnO稀磁半导体的优化离子束调控方法以及磁性来源机理的深刻认识。本项目主要开展了如下工作：1）采用分子束外延技术制备高质量极性ZnO薄膜，利用多种方法结合测定其表面极性，为极性ZnO薄膜的进一步开发和应用打下基础；2）采用离子注入技术调控极性ZnO薄膜和ZnO体单晶中掺杂离子和缺陷态的分布和数量，探讨了极性对于离子注入缺陷和磁性来源的影响机制，发现离子注入O极性ZnO能够获得更高的饱和磁化强度，通过第一性原理计算，揭示了极性对于磁性的调控机制；3）利用分子动力学模拟计算了不同注入条件下的损伤分布，研究了辐照损伤与缺陷铁磁性饱和磁化强度的关系，澄清了缺陷铁磁性主要来源于晶界缺陷；4）发现电子掺杂可以提高ZnO稀磁半导体的饱和磁化强度，采用理论计算和实验结合，揭示了载流子浓度对于极性ZnO饱和磁化强度的调节机制；5）研究了过渡金属和稀土元素共注入对ZnO磁性的影响，通过第一性原理计算，探讨了过渡金属和稀土元素的耦合机制以及极性对其调控作用机理；6）研究了离子注入和极性对于ZnO光学性质的调控作用，为ZnO稀磁半导体在光学领域的应用提供了有益的理论依据。本项目对于高居里温度ZnO稀磁半导体及其磁性机理的研究具有重要的科学价值和重大潜在应用前景。通过本项目研究，获得了稳定的室温铁磁性ZnO稀磁半导体，揭示了离子注入缺陷铁磁性的来源机理以及极性对其调控作用机制，为推动ZnO稀磁半导体在自旋电子器件的应用奠定了良好的科学基础。