过渡金属离子掺杂的ZnO基稀磁半导体的合成和性质

In the past couple of decades, a great deal of effort has been put into the investigation of diluted magnetic semiconductors (DMSs). DMSs have both conductor and magnetic properties, which can as candidates for spintronic applications. Transition metal ion doped ZnO based dilute magnetic semiconductors are possible room temperature ferromagnetism, they become a widespread attention of research systems. Currently reported transition metal ion doped diluted magnetic semiconductors affected the preparation methods, magnetic properties obtained poor reproducibility, and its magnetic origin has not been understood. This project the Zn complexes were synthesized as precursors, including zero-dimensional, one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional frame structure. Controlling the type of metal ion doping ratio, the sort metal ions and the reaction temperature, the complexes were oxidized to metal ion doped ZnO conductor. We expect to obtain homogeneous room temperature diluted magnetic semiconductors and determine the origin of the magnetic properties, and give a reasonable theoretical explanation by first principles.

稀磁半导体兼有半导体和磁性材料的性质，作为构建自旋电子学器件的基础材料而备受关注。ZnO基稀磁半导体有可能获得具有室温及以上磁性质，成为广泛关注的研究体系。目前报道的磁性金属离子掺杂的稀磁半导体，受制备方法的影响，获得的磁性质重复性差，并且其磁性起源一直没有研究清楚。本项目以掺杂过渡金属离子的Zn配合物为前驱体（包括 零维、一维、二维和三维框架结构得到配合物），通过控制金属离子的种类、掺杂比例、缺陷，在不同温度下进行煅烧获得不同形貌的过渡金属离子掺杂的ZnO基稀磁半导体，期望获得均相的具有室温磁有序的稀磁半导体；同时确定磁性质的起源，并应用第一性原理给出合理理论解释。

稀磁半导体是结合电荷导电性能与电子自旋，使材料同时具有铁磁性及导电性能的一类自旋电子学材料。过渡金属掺杂氧化物的研究取得了突破性进展，氧化锌和氧化锡是重要的氧化物稀磁半导体研究对象之一。过渡金属掺杂氧化锌和氧化锡体系已实现了室温铁磁性，有望成为制备自选电子学器件的材料。.以Zn的配合物为主体，通过掺杂过渡金属离子，获得了混合离子的Zn1-xMx Ln配合物，经过煅烧氧化或还原得到均匀掺杂的ZnO稀磁半导体，研究其结构和磁性质的关系，确定磁性质的来源，获得了具有室温稀磁半导体。.（a）我们得到了以过渡金属离子（Ni，Mn，Co，Cu和Fe）掺杂的ZnO基的室温稀磁半导体，对半导体的形貌进行了表征，研究了相应的磁学性能，相关的光学性能也进行了研究。.（b）把研究的目标扩展到SnO2基稀磁半导体，发现在相应的ZnO实验条件下没有得到室温稀磁半导体；但调整制备条件，可以获得相应的室温稀磁半导体。.（c）我们研究了稀磁半导体的磁性来源。对于纯相的ZnO和SnO2，磁性产生于制备过程中的缺陷。对于过渡金属离子掺杂的情况，磁性的产生具有多种因素：样品中的缺陷，过渡金属离子间的磁相互作用和缺陷与过渡金属离子的作用。