ZnO本征半导体 d0 铁磁性来源及调制机制

Many investigations have shown that defects in semiconductors effectively mediate the material ferromagnetism, and this type d0 ferromagnetism materials could open a new route to develop room-temperature spintronics materials. Due to its tremendously applicational prospect in spintronics field, the d0 ferromagnetism in ZnO has attracted tremendious research interest. However, there are some questions to be clarified, such as the exact origin of ferromagnetism and mechanism. Hence this project will be devoted to study the stable defects, the origin of ferromagnetism and mechanism in single crystal ZnO d0 semiconductor using sensetive tools for defects, such as positron annihilation techniques and others, in combination with magnetic measurments and calculated results. This project will explore the effect on defects and magnetism by electron(proton) irradiation, annealing atomsphere and temperature and other treatment conditions. We hope we could obtain the effective methods to mediate the materials ferromagnetism, and this study will provide some theoretical guidance and experimental evidences for mediating the material ferromagnetism by defect engineering.

国内外研究表明，d0半导体中的本征缺陷可有效调制材料铁磁性，这种新型d0铁磁性材料为寻找室温自旋电子学材料开辟了新的途径。ZnO在自旋电子学方面具有良好的应用前景，ZnO d0铁磁性收到了研究者的强烈关注。但目前国际上对ZnO d0铁磁性的研究遇到了以下困惑：ZnO d0铁磁性的确切来源是什么和其中铁磁性作用机制如何。本项目拟采用对缺陷非常敏感的正电子湮没技术等表征手段和磁性测量方法并结合第一性原理密度泛函理论，表征ZnO 单晶中的稳定存在的缺陷类型，探索电子(质子)辐照、退火气氛、退火温度等处理条件对缺陷和磁性的影响，阐明ZnO d0铁磁性来源和作用机制。通过本项目的实施，有望掌握调制d0铁磁性的有效方法，为通过缺陷工程准确调制材料铁磁性提供理论指导和实验依据。

ZnO 在室温自旋电子学方面有着重要的应用前景。但目前人们对ZnO d0铁磁性来源和铁磁作用机制的认识并不统一。因此，本项目主要关注ZnO d0铁磁性来源及磁性作用机制，掌握调制ZnO d0铁磁性的有效方法，通过缺陷工程为实现室温d0 铁磁性材料奠定基础。1 水热法制备的ZnO单晶中d0铁磁性可能与其中的H元素密切相关，H元素的无意引入使得Zn空位的形成能得以大幅降低，ZnO中可能大量存在Zn空位和H原子的复合体缺陷；同时，Zn空位和H原子的复合体缺陷可以产生约1μB的磁矩，在此基础上，我们观察到不同距离的缺陷复合体之间存在铁磁相互作用。初步验证了Zn空位和H原子复合体可能是水热法ZnO 单晶中d0 铁磁性来源。2生长在不同衬底上的ZnO 薄膜，由于衬底和薄膜之间存在不同程度的晶格失配，薄膜中存在一定的应力和应变。我们研究了ZnO薄膜中应变对ZnO d0 铁磁性的影响。研究发现，薄膜中的应变对其中本征缺陷的形成能影响不大，然而，应变对其ZnO d0 铁磁性却有着巨大的影响。在含有Zn空位的ZnO薄膜中，其磁矩随着压应变的增大而减小；而张应变则对磁性无显著影响。对含有一价氧空位的缺陷时，我们发现，张应变可以有效减小磁矩，而压应变则无影响。但进一步考虑其磁性作用时，我们发现在含有Zn空位的体系中，其中存在铁磁相互作用；而含有氧空位的体系中，不存在稳定的铁磁序。 3 我们研究了单层ZnO的铁磁性可通过其中的点缺陷与吸附气体分子进行调控。结果表明：含有Zn空位的单层呈现铁磁性，而O空位则无磁性。CO分子被吸附在ZnO单层中的O空位时，材料中可以出现铁磁性；而CO分子被吸附在ZnO单层中的Zn空位时，材料呈现无磁性。而当CO分子结构构型倒置时，CO分子对含有缺陷ZnO的单层磁性几乎没有影响。另外，我们还对不同直径的单臂ZnO纳米管和纳米线其热电性质进行了探索。