ZnO低维结构稀磁半导体微结构、光学和磁学性质尺度效应研究

介观尺度下的稀磁半导体（DMS），由于尺寸的限制导致量子化行为，相应的微结构特性随着尺度改变发生变化，其物理性质呈现新的特点。低维结构DMS光学、磁学性质的研究具有广泛的应用背景，尺度效应又是理解其物理内涵的根本。本项目拟采用低温化学方法合成过渡族金属掺杂ZnO纳米线（棒）阵列、纳米晶，系统研究其生长过程，找出材料物相、结构、形状、尺度等对实验参数的依赖关系；根据最优化的实验工艺，合成尺度分布窄、大小可控的过渡族金属掺杂ZnO纳米线（棒）阵列、纳米晶，研究其微结构特征（晶体结构、缺陷、表面等）随尺度的变化规律；研究与微结构相关的光学、磁学性质的尺度效应；揭示微结构与物理性质的内禀关联。此项研究有助于澄清低维DMS体系优异光学、磁学特性的物理本质，从而为纳米尺度DMS材料器件化奠定物理基础。

低维结构稀磁半导体(DMS)是构建自旋电子学器件的基石，也是研究半导体小空间尺度新物理效应的理想体系。本项目采用低温化学方法，合成过渡金属掺杂和未掺杂的ZnO纳米棒、纳米晶，系统研究其生长过程，掌握了控制材料物相、结构、形状、尺度等关键技术。系统研究尺度效应、表面界面效应等对低维ZnO光学和磁学性质的影响，揭示微结构与物理性质的内禀关联。项目开展过程中，拓展了新的材料体系，如ZnS纳米晶和TiO2薄膜，取得较好的研究成果。代表性成果如下：.一、未掺杂低维ZnO研究.1、采用化学沉淀法在SiO2网络结构生长不同尺度的ZnO纳米晶，系统研究其生长机理以及尺度效应对缺陷相关发射的影响。此方法合成的纳米晶分散性和稳定性好，将其应用于电致发光器件和有机电双稳态器件，研究尺度效应对器件性能的影响。.2、无序分布的ZnO纳米棒作为理想的体系来研究表面态或缺陷态引起的“d0磁性”本质。采用溶剂热方法合成尺度分布均匀的具有室温铁磁性的ZnO纳米棒。微结构表征为单一ZnO纤锌矿相，表面含有大量的氢氧根。通过低温热处理和H2O2处理，利用PL和PLE谱研究样品表面态或缺陷态，表明ZnO纳米棒的黄光发射和室温铁磁性与氢氧根和缺陷态有关。.二、掺杂的低维ZnO研究. 由于纳米材料的自纯化效应，掺杂离子易趋于表面分布，掺杂ZnO纳米结构的物理或化学性质往往取决于材料表面结构及掺杂离子周围的化学环境。.1、采用水相共沉淀法及高温烧结反应合成Co掺杂ZnO的纳米晶，研究Co掺杂对纳米晶微结构、光学性质的影响。由于纳米材料的自纯化效应，掺杂浓度较大时出现Co3O4。Co掺杂抑制ZnO纳米晶颗粒长大。尺寸效应引起带边发射蓝移。由能级图解释可见区发射来源。.2、采用水热法合成Co掺杂ZnO纳米棒。Co浓度增大促使棒的长径比增加，从热力学角度讨论其生长机理。研究表明Co有效掺杂浓度很低。利用吸收谱和PL谱研究Co2+分立能级内部电荷转移过程。磁学研究表明低掺杂浓度样品有弱室温铁磁性，杂相析出样品为顺磁性，认为铁磁性来源于以缺陷为媒介Co离子之间的铁磁交换作用。.3、采用水热法通过控制前驱物Cu离子浓度，得到不同直径的ZnO纳米棒阵列，提出Cu离子存在时ZnO纳米棒生长机理。采用PL和PLE光谱，对热处理前后样品荧光光谱分析，利用耗尽层模型解释与缺陷相关的可见区发射来源。