Fe3N/GaN纳米复合颗粒微结构及磁性研究

对稀磁半导体材料而言，均一相、高晶体质量是有效的将电子自旋属性和电荷属性相结合应用的一个前提条件，但研究表明，稀磁半导体材料中的磁性团簇往往对材料的各方面物理性能有着重要影响，团簇的大小、形貌以及种类不同，会直接导致材料磁学、光学以及输运性质不同。本项目拟在GaN材料晶格内部大量引入Fe3N团簇，研究二者相互影响、相互关联所导致的物理性能以及新的物理现象。主要工作包括：应用溶胶-凝胶和高温氨化相结合的方法合成Fe3N/GaN纳米复合颗粒，对Fe3N团簇的形成过程以及微观形貌进行研究，揭示Fe3N的形成机理，明确材料结构与磁性之间的关系，为制备高离子掺杂浓度、均一相的GaN基稀磁半导体材料提供科学依据。同时，研究Fe3N/GaN纳米复合颗粒的电磁吸收特性，分析颗粒尺寸、微观结构以及Fe3N-GaN界面极化效应对微波段吸收性能的影响，针对实验结果建立物理模型，综合分析材料的电磁损耗机理。

本项目针对Fe3N／GaN复合结构的相关问题进行了研究，主要针对GaN中Fe3N团簇的形成、Fe3N的磁学特性、Ga掺杂Fe4N、In掺杂Fe4N等相关问题进行了深入的分析，为进一步制备高质量GaN基稀磁半导体、把Fe3N以及GaxFe4-xN这些新兴磁性材料应用到自旋电子学应用领域提供了理论、实验依据，以及新的思路。在本项目共发表SCI文章4篇、EI文章3篇，申请发明专利1项，很好的完成了项目要求。. 我们通过溶胶凝胶和高温N化相结合的方法制备Ga掺杂的Fe-N化合物。在这一系列样品中，我们发现了一个很有趣的现象，即Ga的掺入会导致生成物从六角ε结构转变为立方γ结构。如果没有Ga的掺入，通过我们的制备方法只可以得到纯相的六角ε-Fe2~3N，而当Ga的掺杂浓度达到0.5%，生成物部分转变成了立方结构的Ga掺杂γ-Fe4N。更为重要的是，当Ga掺杂浓度达到1%时，生成物中只有立方结构的Ga掺杂γ-Fe4N相。我们应用XRD、TEM、VSM以及穆斯堡尔谱对其结构以及磁学性能进行了深入分析。同时，改变Ga和In的掺杂浓度，我们制备出一系列GaxFe4-xN和InxFe4-xN样品，并对其结构和磁性等相关物理性能进行了研究。. 我们应用金属有机物化学气相沉积技术生长出高Fe掺杂浓度的GaN薄膜，并对其微观结构、表面形貌以及磁学性能进行了研究。对于高浓度掺杂的样品，X射线衍射探测到了Fe单质和Fe3N存在。通过高分辨透射电镜图像，我们观察到了晶格中的Fe3N纳米团簇，并且发现团簇以Fe3N[0002]晶轴平行于GaN[0002]晶轴的方式存在于GaN晶格之中。同时，随着掺杂浓度的增高，薄膜表面粗糙度增加。磁学测量表明，不同掺杂浓度的样品都显现出明显的室温铁磁性。我们应用金属有机物化学气相沉积技术在c轴取向的GaN上生长出Fe颗粒薄膜以及Fe3N薄膜。应用XRD、AFM、XPS以及SQUID等技术对薄膜的结构、表面形貌以及磁学性能等性质进行了分析，结果表明六方结构的GaN上生长的Fe为立方结构，且以Fe(110)// GaN(0002)晶面以及Fe[001]//GaN[11-20]轴的方式存在，而生长的Fe3N为六方结构，且以Fe3N(0002)//GaN(0002)晶面以及Fe3N[11-20]//GaN[1-100]轴的方式存在。