新型自旋电子材料 - 高电导率的铁磁性氧化物半导体纳米管的制备与性能研究

铁磁性半导体兼具载流子的自旋与电荷自由度，可构造集磁、电功能特性于一体的半导体自旋电子器件。目前制约此材料广泛应用的瓶颈是居里温度低于室温或电阻率过大。纳米结构材料由于具有与传统块材完全不同的物理和化学特性，在凝聚态物理、材料科学、电子器件、化学工程等领域有着深远的影响。本工作拟采用聚合物辅助沉积法结合纳米多孔模版合成均一、界面清洁光滑的室温铁磁性氧化物半导体纳米结构，研究其室温铁磁性机理，探索调控改善此纳米结构的磁电输运性质的方法，研制出具高电导率的室温铁磁性宽禁带半导体纳米结构,为最终研制相关的自旋电子器件提供重要的实验依据和理论指导。申请者多年来已在自旋电子材料的合成与分析，磁性半导体电学输运性质、磁学和光学性质的测量，以及新型自旋电子器件的开发与测试等研究积累了成功的实践经验，对本项目的可操作性以及自主创新性有充分的信心。

本项目以基于宽禁带氧化物的铁磁性半导体纳米结构为研究对象，着眼于氧化物纳米结构的生长合成，铁磁性机理的探讨以及与应用相关的输运性质的研究。 具体而言，本项目在以下方面获得了如下成果：.(1).氧化物纳米结构的生长制备。采用聚合物辅助沉积法为主要合成手段制备出氧化锌纳米晶薄膜，并采用其他方法，如磁控溅射法和原子层沉积法，生长制备出氧化锌和氧化铝薄膜进行对比研究。实验发现，聚合物辅助沉积法制备的氧化锌纳米晶具备优良的室温铁磁性。进一步研究发现，以制备出的氧化锌纳米晶薄膜为模版，以适当的方式加热，可获得氧化锌纳米线水平阵列或垂直阵列，且这两种纳米线阵列都具备室温铁磁性；然而利用碳多孔膜和氧化铝多孔膜制备氧化锌纳米管的尝试却未能成功，这可能与聚合物与多孔膜表面相互作用有关。为丰富和深化氧化锌纳米结构的研究内容，我们也尝试采用电纺丝法制备氧化锌纳米纤维，以及采用蒙特卡洛模拟研究纳米线与量子线生长的一般规律，获得了一系列成果。.(2).氧化物半导体的性能研究。.(a)缺陷对铁磁性的影响。实验发现，我们制备的未掺杂的氧化锌纳米晶显示室温铁磁性，在氢气和氧气中退火之后铁磁性显著增强，在氧气中退火效果最为显著。这与一般认为的氧化锌的磁性来源于磁性离子掺杂不同。基于正电子湮没谱测试纳米晶缺陷，XRD和XPS测试晶体结构与成分，SQUID测试磁性，我们分析得到：未掺杂氧化锌纳米晶的磁性是由锌空位诱导得到，而与氧空位无正相关性。对掺Co的氧化锌纳米晶的系统(研究进一步确认，铁磁性是由锌的一价空位诱导产生，而氧的间隙原子对铁磁性有削弱作用..b) 掺杂对磁性的的影响。另一方面，我们从理论计算方面研究了过渡金属元素（Cu, Fe, Ni, Co）掺杂氧化锌的磁性，澄清了这些元素掺杂在氧化锌中是否形成团簇和是否具备铁磁性问题，解释了最新报道的实验成果；.(c) 外加电场对磁电性能的的影响。我们还发现，氧化锌纳米线和纳米管在横向电场作用下，导带底和价带顶的不同强度混合会沿着电场方向产生载流子的移动通道，导致空穴和电子的分离聚集。由于氧原子附近空穴的2p特征，在纳米结构一侧会产生自发磁性.(d)氧化物纳米结构的输运性质研究。研究结果显示，掺杂对输运性质的影响较为复杂。掺杂有可能引起电导率下降，也会使氧化锌纳米结构表现为自旋电流阀性质。