氧化锌基薄膜的阻变机制与磁性能调控研究

With developing of spintronics, ZnO-based thin films have attracted much attention arising from the feasibility of resistance switching and room temperature ferromagnetism in a single material system. So far, there is still no definitive conclusion on the physical origin of resistance switching and room temperature ferromagnetism. Since the stability of performances are low, ZnO-based thin films have not been widely used. In this research project, ZnO-based thin films prepared by the magnetron sputtering technique will be studied. With cyclic thermal treatment, we will study the influence of the evolution of microstructure(energy band structure, band gap, defect type and lattice vibration, etc.) on the properties in ZnO-based films, and investigate the effects of intrinsic defects and doping elements on the electronic structure and magnetic properties of ZnO-based films. The research results are benefit to explore the physical origins of the resistance switching and room temperature ferromagnetism from the microscopic view, and provide a theoretical foundation and experimental basis for the ZnO-based film applications. By summarizing the above research results, we will carry out the study of the room temperature ferromagnetism of ZnO-based film induced by excitation electric field. This research provides a new experimental method to enhance the ferromagnetism and contributes to develop new applications of ZnO-based materials.

随着自旋电子学技术的发展，氧化锌基薄膜因同时具有室温铁磁性和阻变效应而受到越来越多的关注。但是，目前氧化锌基薄膜阻变机制和室温铁磁性的物理起源还不明确，性能稳定性不高，尚未得到广泛应用。本项目以氧化锌基薄膜为研究对象，采用磁控溅射法作为制备方法，通过循环热处理等实验手段，从实验和理论两方面研究薄膜微结构(能带结构、禁带宽度、缺陷种类、晶格振动等)的变化对薄膜性能的影响，计算并分析本征缺陷和掺杂元素对ZnO基薄膜电子结构和磁性的影响，准确地反映薄膜微结构变化与薄膜的阻变效应、室温铁磁性以及性能稳定性的联系，从微观角度探索薄膜的室温铁磁性和阻变效应的物理起源，为氧化锌基薄膜材料的应用奠定理论基础和提供实验依据。最后在以上研究结果基础上，开展电场激励诱导薄膜的室温铁磁性研究工作，为提高薄膜磁性能提供新的实验手段，并有望开发出氧化锌基材料应用的新领域。

随着自旋电子学技术的发展，氧化锌作为半导体材料具有室温铁磁性、气敏、光催化等多重性质而受到越来越多的关注。本项目以金属元素（Mn、Ni、Co、Mg、In）掺杂氧化锌为研究对象，围绕氧化锌纳米材料的实验合成和理论设计，采用磁控溅射法和化学方法生长出多种元素掺杂的氧化锌纳米薄膜和纳米粉体。通过研究样品掺杂组分、生长温度、热处理气氛和温度等实验参数，探究氧化锌基材料中的微观缺陷对其磁性、光学、光催化、气敏等性能的调控作用，并获得一系列研究成果。该研究项目重点阐明了氧化锌的铁磁性、光催化和气敏等性能提高的主要因素为材料中的氧空位。增多的氧空位可与掺杂离子形成更多的束缚磁极化子，提高铁磁长程有序；氧空位增多可提供更多捕获中心降低电子空穴对的复合；氧空位增多可提高材料中的载流子浓度，降低氧化锌的电阻率和能带带隙。我们进一步提出氧化锌产生铁磁性，光催化和气敏的微观物理模型和物理机制，初步实现了设计实验方案对氧化锌的室温铁磁性进行有效的调控。本项目为探索氧化锌在多功能材料中的应用提供了理论和实验支持。