共掺杂和晶格缺陷调控ZnO基稀磁半导体磁性的同步辐射研究

兼有铁磁性及半导体特性的稀磁半导体（DMS）是制备能同时操纵电子的自旋和电荷的新一代自旋电子器件的重要支撑材料。在电子层次上了解DMS磁性可被调控的微观机理对制备出性能可调（被外光、电场操纵）的自旋电子器件至关重要。本项目利用脉冲激光沉积法和后期退火处理（真空和Zn蒸气）将杂质（Al3+，Li+）和缺陷（O空位，Zn间隙）引入到(Zn, TM)O (TM=Mn，Co)中实现对其磁学性质的调控。采用同步辐射XMCD和XAFS研究磁性离子的微观磁性（轨道磁矩，自旋磁矩）和微结构(局域结构，电子结构)特点以及它们与杂质和缺陷之间的关系，结合第一性原理理论计算给出的磁性离子、杂质和缺陷的电子态密度，明确磁性离子与杂质和缺陷之间的电子相互作用以及杂质和缺陷影响微观磁性和微结构的物理原因，阐明杂质和缺陷能调控ZnO基稀磁半导体磁性的物理机制，为实现从电子水平上操纵稀磁半导体的磁学性质提供理论基础。

利用XAFS、XRD和SQUID 技术结合密度泛函理论(DFT)计算,研究了(Mn,Li)/NiO、（Co,Cr）/ZnO和(Co,Cu）/ZnO等纳米薄膜的结构和磁性及其相互关系,重点探讨了共掺杂能够调控其磁性及掺杂磁性离子空间分布特征的微观机理。在(Mn,Li)/NiO中，基于DMS的磁学性质显著依赖于掺杂离子与缺陷能级的杂化和第一性原理计算，提出了“价态依赖铁磁性”的新概念，即通过改变掺杂磁性离子的价态调控其3d能级位置，能够有效地操纵稀磁半导体磁学性质。在实验上，通过共掺杂Li离子增加了Mn+3离子的相对含量，显著提升了磁学性质。从实验上证实了改变离子价态能够有效操纵稀磁半导体的磁性。在（Co,Cr）/ZnO 中，通过掺杂替代位的Cr3+有效抑制了Co团簇的产生。第一性原理计算进一步表明，Co团簇的消失是归因于Cr3+和Co2+之间的电荷转移导致了Co离子之间不能有效的团聚在一起，进而限制了Co团簇的产生，有利于制备出高浓度磁性离子掺杂的氧化物稀磁半导体。在(Co,Cu）/ZnO中，发现当Cu的掺杂浓度小于2%时，Co(+2)离子是以替位式存在于ZnO晶格中。当掺杂浓度高于3%时，有Co(0)金属析出，并随着Cu的掺杂浓度的增加Co(0)析出比例增加。此外，经空气中退火后，脉冲激光沉积法制备的Co掺杂ZnO薄膜从铁磁性转变成顺磁性，但Co原子的占据位置没有发生变化。XANES谱分析和多重散射理论计算明确了样品中的O空位在这个磁性转变过程中扮演了一个重要的角色。在Co 掺杂ZnO量子点中，通过在其表面外延生长另一种半导体（Ag2S和ZnS）的壳材料有效的将其顺磁性转变成铁磁性。而且，Co 掺杂ZnO量子点的居里温度能够通过生长不同的壳材料有效调控。