透明室温铁磁半导体Zn1-xErxO的制备及磁性机理研究

本项目拟在前期工作基础上，采用Er掺杂实现氧化锌（ZnO）材料的室温铁磁特性。通过超导量子干涉仪（SQUID）、场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、磁力显微镜（MFM）、核磁共振（NMR）、X射线光电子谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、Raman光谱、Hall效应测试等手段进行宏观磁性、微观磁性、微结构、晶体结构及输运特性等各种性能分析，排除铁磁性团簇及二次相存在的可能，证实室温铁磁性的内禀特性；研究Er掺杂ZnO稀磁半导体的磁学、电学及光学特性；分析样品的载流子类型及浓度，缺陷类型及浓度等因素对材料磁特性的影响；结合理论计算和实验结果，解释其室温内禀铁磁性的磁性机理，为该材料在自旋学领域的应用奠定理论与实验基础。

在该项目的执行过程中，我们顺利的完成了计划书所计划的所有研究内容。取得的成果主要包括以下两个方面：（1）研究了包含Zn1-xErxO在内的氧化物的室温铁磁特性及其机理；（2）初步研究了电场作用下ZnO材料中O空位的重新分布对电阻的影响及其在阻变存储领域中的应用。这些成果得到国内外学术界的高度认可，共发表SCI及EI学术论文10篇，其中SCI一区1篇（ACS Nano（2011年影响因子10.774）），SCI二区5篇（Physica Status Solidi Rapid Research Letters 1篇、IEEE Electron Device Letters 1篇、The Journal of Physical Chemistry C 2篇、Scripta Materialia 1篇）。在氧化物的室温铁磁性及机理研究部分我们首先系统地研究了Er掺杂ZnO稀磁半导体材料的磁特性及其与Er掺杂浓度、结晶质量、缺陷浓度等参数的关系，并研究了溅射参数对Er掺杂ZnO稀磁半导体材料的磁特性的影响，发现影响Er掺杂ZnO稀磁半导体材料磁特性的主要因素是O空位的浓度。为进一步确保O空位在稀磁半导体材料中的重要地位，结合前期关于未掺杂ZnO磁特性的研究结果（J. Appl. Phys. 105, 113928 （2009）），研究了Al、Cu、La掺杂ZnO及Cr掺杂SnO2纳米线稀磁半导体材料体系中O空位对磁特性影响的作用；并研究了未掺杂CuO及ZnO2的磁特性及其磁特性与O空位的关系。对这些材料体系的研究结果均表明O空位对稀磁半导体材料的磁特性有决定性的作用。这些结果进一步间接地证实了Er掺杂ZnO稀磁半导体材料中的磁性来源问题。我们研究组还进行了ZnO基材料中O空位在电场作用下的行为及其应用潜力的研究。结果发现， ZnO基材料在不同的电场作用下阻值会在高低阻态间转换，此转换也起源于O空位在材料中的重新分布。为了找到O空位在电场作用下重新分布的证据，在Si衬底上外延生长了直径在10~60nm，高度在20~70nm之间的纳米岛，采用CAFM探针为顶电极，对ZnO纳米岛施加不同极性的电压扫描，并测量了每次扫描之后的电流分布图，证实了ZnO纳米岛中O空位的重新分布现象。该部分研究虽然仅取得了一些初步的结果，但却为我们今后研究电场作用对氧化物半导体室温铁磁性的影响奠定了基础。