ZnO基d0铁磁性材料的制备及相关物性研究

本项目拟采用超高真空磁控溅射和离子束沉积法，制备不同结晶质量的ZnO 薄膜,通过Zn或O的高温扩散或离子注入工艺诱导材料的铁磁性。系统地研究ZnO的微观结构、本征缺陷类型和浓度、缺陷的深度分布对材料铁磁性的影响；研究其各向异性磁电阻、霍尔效应等自旋相关的输运性质；制备非磁性金属M(Zn、Cu、Au等)/ZnO 双层膜和多层膜，改变制备工艺和退火工艺诱导铁磁性。研究非磁性金属在ZnO 层的扩散效应，以及对ZnO中本征缺陷浓度、缺陷间相互作用的影响；系统研究制备工艺对界面微观结构、界面电子态的影响；建立起制备工艺-界面结构-缺陷种类-铁磁性之间的关联。在此基础上揭示ZnO基 d0铁磁性材料中铁磁性产生机理。制备非磁性金属M(Zn、Cu、Au等)/ZnO/半导体异质结构薄膜材料，测量异质结垂直膜面方向上的自旋相关输运性质，为其在自旋电子器件领域中的应用奠定基础。

对于宽禁带氧化物半导体材料中的磁性机理以及自旋相关输运性质的研究具有重要的理论意义和应用价值。已有研究表明ZnO基d0铁磁性材料的磁性起源不能用传统的铁磁性理论解释，而与材料的结构缺陷有关。但是结构缺陷与材料铁磁性的关系，以及材料中自旋相关物理性质仍不明确。因此，本项目对具有室温铁磁性的ZnO薄膜材料进行了制备和磁性机理研究。我们首先采用超高真空磁控溅射方法制备了具有室温铁磁性的ZnO薄膜，并研究了氧气分压对于磁控溅射法制备的单层ZnO薄膜的结构，本征点缺陷类型以及磁性能的影响。其次，我们制备了非磁性金属 Zn/ZnO的双层膜和多层膜，并对制备态的双层膜和多层膜在高温中进行空气退火处理，采用变温XRD和VSM 原位测量了薄膜的结构和磁性变化，建立起制备工艺-界面结构-缺陷种类-铁磁性之间的关联，通过实验证明了ZnO薄膜材料中的室温铁磁性是由薄膜中的锌填隙缺陷引起的，为ZnO基 d0铁磁性材料的磁性产生机理的研究提供了思路。进而，我们还制备了具有反铁磁性质的p型半导体材料CaFe2O4，并研究了过渡金属Cr掺杂其电磁输运性质的影响，发现Cr掺杂逐渐抑制了其反铁磁性。发表SCI检索论文6篇，这些研究结果为理解宽禁带氧化物半导体材料中的磁性机理提供了更多的实验依据。