基于ZnO基DMS的核壳结构/多层膜的结构及电、磁性能研究

稀磁半导体（DMS）兼具自旋和电荷两个自由度，具有非常丰富的磁、电耦合内容，被认为是未来磁电子领域的关键材料之一。本研究拟在前期工作的基础上，（1）构造出具有核壳结构的磁耦合系统，通过烧结工艺的改变在微/纳层次上对DMS块状样品的微观结构进行调整，研究其对系统磁、电性质的影响；（2）在DMS铁磁核外有意构造出具有不同性质的薄层，形成各种磁耦合结（如铁磁/铁磁，铁磁/反铁磁），研究不同物理环境对体系磁耦合及电输运性质的影响；（3）在纳/微尺度上对铁磁/反铁磁系统进行结构和性能调整，探讨其中磁交换偏置效应随微观结构和物理环境的变化规律；（4）研究具有铁磁/（反铁磁、铁磁、顺磁）/铁磁结构的多层膜的中间层及边界层的厚度和性质对体系磁耦合及电输运性质的影响。探求微观结构和物理环境与样品中磁耦合作用及载流子输运特性的关联及其影响样品磁、电性能的微观机理，进而提出ZnO基DMS中铁磁性的可能机制。

利用XRD、SEM、TEM、XPS、MPMS/PPMS等测试手段，对Fe、Ni、Cu掺杂的ZnO稀磁半导体系列样品的微观结构、表面形貌及磁性进行了系统研究。特别是利用高温高压技术对样品进行烧结或改性，在微/纳层次上对不同体系样品的微观结构和物理环境进行调节，并与常压条件合成的样品进行比较，详细研究了压力对材料晶格常数、颗粒尺寸、颗粒边界的影响，在此基础上，探讨了材料的微观结构及物理环境对体系磁、电性能的影响规律和物理机制。通过改变掺杂浓度、烧结气氛和引入共掺杂，发现三种掺杂元素在ZnO基体中的固溶度都小于3%，在缺氧条件下制备的样品显示本征的室温铁磁性，该磁性源于氧空位缺陷相关的束缚磁极化子之间的交换耦合作用。高压实验研究发现，在几个GPa压力下，通过改变烧结压力，可对样品的晶格参数、颗粒尺寸及颗粒边界进行有效调节，从而影响材料中的铁磁交换耦合作用，使系统铁磁性呈现数量级的增加。通过分析，得到了样品微观结构及物理环境对体系铁磁性的影响规律，并给出了其物理图像，进一步确认了该类材料中铁磁性来源。在对Ni掺杂ZnO体系的研究中，比较了以上三种因素对体系磁性的影响，发现晶格参数的减小导致的样品中束缚磁极化子数目的增加是系统铁磁性显著增强的主要原因。本研究为揭示ZnO基稀磁半导体中室温铁磁性的起因提供可靠的实验证据，为在该类材料中获得增强铁磁性提供了一个可能的思路，也为该类材料磁性能的调控提供一个可能的方法。