Fe掺杂的SnO2纳米颗粒的制备和穆斯堡尔谱研究

Semiconductors tin dioxide has attracted much attention due to its terrific gas sensitive and optoelectronic properties. Transitional-metal ions doped tin dioxide nanoparticles have good potential applications in spintronics devices. As far as I know, there is no well accepted explanation for the origin of the magnetic properties by both of the theory calculation and experiment results. For this reason, this project will make us have a deep insight into the magnetic origination of iron doped tin dioxide. First, we will prepare the single phase of iron doped tin dioxide by different means, and then utilize the M?ssbauer and X-ray Absorption Fine structure to investigate the hyperfine structure and coordination state of iron and tin in the nanoparticles with increasing the iron content. Finally, combining these data with the magnetic measurement and first principle theory calculation results, we can further understand the reason for the origin of magnetic properties in the diluted magnetic semiconductors.

纳米半导体材料SnO2由于其优异的气敏和光学特性，引起了人们广泛的兴趣，特别是过渡金属掺杂的SnO2在自旋电子学器件中潜在的应用价值受到了更多的关注。目前为止，理论计算与实验研究都对Fe掺杂后的纳米SnO2的磁性来源给出了一些结论，但是并没有形成统一的认识。为了更加深入的了解Fe掺杂SnO2纳米材料的磁性来源，本申请将通过制备Fe均匀掺杂的、纯相的SnO2纳米颗粒，并利用变温穆斯堡尔谱和X射线吸收精细结构光谱作为主要的研究手段，通过掺杂浓度的改变，揭开Fe原子和Sn原子的超精细状态和磁性结构的变化规律，以及Fe原子配位和晶格内电子结构的变化规律，从而为其磁性来源和电子能带结构的合理解释提供依据。

最近十几年来，希磁氧化物和氮化物的研究受到非常多的关注，特别是部分材料在不同过渡金属掺杂后出现了室温以上的居里温度。为了发展能在环境条件下工作的磁光薄膜和自旋电子器件，研究这些半导体中的磁性来源显得非常重要。本研究针对Fe掺杂的半导体材料SnO2与TiO2，以及Fe，Sn共掺杂的金红石结构的TiO2的结构与磁性,详细分析了颗粒中磁性的来源。在本项目的实施期内，项目负责人紧紧围绕项目的研究目标，按照研究计划开展工作，主要的研究工作包括：1、通过考察溶胶凝胶法，共沉淀法，以及热分解过氧化前驱体等不同的制备方法，得到纯相的Fe掺杂的SnO2和Fe，Sn共掺杂的TiO2纳米颗粒，通过改变掺杂离子的比例和浓度(0.1%-5%)，前驱体的焙烧温度，找到Fe掺杂的极限浓度，使得Fe离子和Sn离子在颗粒中不形成局域的富集或者团簇，避免过渡金属氧化物杂相的出现，影响试验结果的分析。2、考察制备方法和焙烧温度对形成的纳米颗粒的尺寸，形貌和宏观磁性和晶体结构的影响，不同制备方法得到的样品的性质差别很大。3、通过自旋电子共振研究发现，在这些过渡金属掺杂的半导体材料中，过渡金属磁性离子都是孤立的，且浓度远远低于最近邻直接耦合的的渗透阈值，样品中的平均磁矩大于单独Fe离子的自旋磁矩，Fe离子之间发生直接的交换相互作用的可能非常小；再通过119Sn与57Fe穆斯堡尔谱研究，颗粒中通常存在一个杂质离子的浓度极限，当杂质Fe离子的浓度小于该浓度极限时，Fe离子在室温下出现了磁有序状态；当Fe离子的浓度大于该极限时，Fe离子之间的磁性相互作用逐渐减弱并消失，同时样品内只有顺磁磁矩的存在，穆斯堡尔观察到随Fe离子浓度变化出现的这一明显的变化。由于Fe离子的浓度变化并未导致Fe离子间间距的明显改变，所以氧空位应该是材料中磁性交换作用的主要媒介。