氮掺杂氧化物制备新型稀释磁性半导体

理论计算结果表明，用氮掺杂氧化物（CaO、SiO2等）可获得居里温度高于室温的新型稀释磁性半导体材料。这种材料中不含磁性过渡金属杂质，其磁性来源于氮杂质原子上局域磁矩之间的相互作用,因此是材料的本征属性，而不是来自磁性过渡金属杂质的团簇、颗粒或其他磁性杂质相的贡献。当前关于稀释磁性半导体的实验研究大多集中在磁性过渡金属掺杂的样品和含有本征缺陷的样品上，而对氮掺杂氧化物的实验研究则鲜有报道。鉴于此，我们将研究的主要目标定为用氮掺杂氧化物（MgO、CaO、SiO2、ZnO、TiO2和SnO2）来制备稀释磁性半导体材料。研究的内容主要包括氮掺杂氧化物样品的制备、微结构、磁性、光吸收和光致发光性质、载流子类型及迁移率等的测量和分析。通过研究，希望清楚地认识氮掺杂氧化物中磁性的物理机制，获得居里温度远高于室温、对可见光具有高透射率的稀释磁性半导体材料，把制备样品的关键技术申请为发明专利。

以离子注入方法制备得到了铁掺杂MgO单晶、氮掺杂ZnO纳米线、氮掺杂SnO2薄膜、氮掺杂MgO、TiO2、ZnO、SiO2单晶样品。利用X射线衍射、X射线光电子谱、傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电子显微镜、台阶仪等测试了样品的物相结构、化学成分、形貌及膜厚，利用紫外-可见光吸收光谱、荧光光谱测试了样品的光吸收性质和光荧光性质，利用四端或两端法测量了样品的导电性质，利用物性测量系统测试了样品的磁性，利用SRIM程序计算了离子分布和缺陷的产生情况。研究发现，离子注入方法可以成功地将氮掺入到基质材料中，氮离子具有复杂的化学价态，一般可分为N-O、N-N、N-M，M为基质中的金属元素；氮离子注入会使基质元素的分子结构发生明显变化，红外吸收谱发生明显移动；由于注入离子的能量可以传递到非注入层，氮离子注入对非注入层起到退火的作用；对薄膜样品，随注入剂量的增加，衍射峰强度减小，这是因为薄膜样品在注入后发生非晶化的结果；氮离子注入使TiO2、ZnO、SiO2吸收光谱的吸收边发生红移，可能是因为带隙变窄或在带隙中引入了杂质或缺陷能级，对MgO材料，在测试波长范围内没有发现影响；氮离子注入使ZnO的光致发光峰消失，对ZnO单晶在真空环境下进行氩离子刻蚀，可以使紫外发光强度提高99倍；氮注入对MgO、TiO2、SiO2、SnO2的荧光没有明显影响；除ZnO单晶外，氮注入可使MgO、TiO2、SiO2从抗磁性变为室温铁磁性，铁磁性主要来源于氮离子和缺陷；氮注入ZnO即使在低温77K依然为抗磁性，其原因是氮在ZnO中是一种深能级杂质，氮的2p态电子与氧的2p态电子交叠几率很小，不能产生自旋极化；只有TiO2在氮注入后变为半导体，导电机制以变程跃迁为主。此外，还研究了CO2激光辐照对熔石英（SiO2）微结构及激光损伤特性的影响、SnxMnyO2粉体和氮注入TiO2薄膜的光致发光性质。