纯缺陷诱导型磁性氧化物半导体的制备及铁磁性机理探索

磁性半导体兼具电子的电荷和自旋两种属性，是电子自旋等功能器件的关键基础材料。在传统的稀释磁性半导体中，磁性元素的掺杂导致了铁磁性多种可能的来源；迄今为止，关于稀磁半导体的铁磁性来源一直没有信服的认识，也极大的影响了铁磁性的有效调制。本项目基于纯氧化物半导体中d0缺陷铁磁的发现，提出避开磁性元素的使用，采用非磁性阳离子对氧化物半导体进行掺杂，利用脉冲喷雾蒸发化学气相沉积这一远离平衡态制备技术，制备出纯缺陷诱导型磁性氧化物半导体薄膜材料，从而排除在稀磁半导体中由于磁性元素的使用而导致的磁性第二相或磁性粒子团簇等对铁磁性来源的干扰，明确缺陷对铁磁性的诱导作用。通过制备参数和掺杂阳离子的改变，获得可变形态和浓度的缺陷，进一步探讨缺陷引致铁磁性的机理，揭示掺杂-缺陷-铁磁之间的内在关联规律，从而有助于实现对铁磁性的有效调制，为磁性半导体的理论发展和实际应用奠定重要的基础。

磁性半导体兼具电子的电荷和自旋两种属性，是电子自旋等功能器件的关键基础材料。本项目开展了磁性半导体缺陷诱导铁磁行为的研究，分别以ZnO、SnO2、MgO为研究对象，通过制备参数调整、元素掺杂和表面处理探讨了铁磁行为与缺陷之间的关联关系，阐明了缺陷诱导磁性的机理，并在一定程度上实现了铁磁行为的有效调制。利用MgO薄膜作为模型研究体系，通过温度、氧分压等参数的调控，证明了MgO的磁性来源是非化学计量比效应与Mg空位诱导，同时首次利用薄膜结晶度的变化实现了对铁磁行为的有效调制；研究了SnO2薄膜铁磁性的来源和磁性产生机理，缺陷对薄膜磁性的影响有两方面，一方面低温生长的薄膜结晶度低，薄膜内存在大量氧空位，导致了薄膜较高的磁性，另一方面随着温度升高，结晶度升高，薄膜内部缺陷减少，但是薄膜表面氧缺陷增多，使得薄膜磁性增强。此外，在不同氧压下沉积的SnO2薄膜的磁性能随着氧压的降低而增大，研究结果证明了SnO2薄膜的d0铁磁性来源于其内部深束缚的VO+以及表面的VO；在Co掺杂ZnO的基础上，通过+1价的Na离子掺杂取代+2价的Zn离子形成氧空位，从而俘获电子作为束缚极子，增强了体系的铁磁性交换作用的效率，而随着Na掺杂量的进一步提高，载流子浓度不断减小，无法获得足够数量的束缚磁极子， Co原子相互之间形成反铁磁性超交换作用，导致了系统铁磁性的减弱；对于Na与Fe共掺杂ZnO体系进行了研究，Na的引入使样品的室温铁磁性得到明显提高，并且随着Na含量的增加，室温下铁磁性能逐步升高。这是因为Fe掺杂ZnO体系中氧空位束缚电子数量的增加，呈现出一个不断稳定和强大的室温铁磁性；进一步通过对前面制得的ZnO基样品进行表面处理，发现ZnO基纳米颗粒的磁化强度在经过处理后都能得到提高，这是由于纳米颗粒的细化和缺陷增加造成的。在这种情况下，我们认为缺陷调制的交换作用增强，导致了磁化强度的提高。因此提高氧空位浓度可以提升磁化铁磁性，而降低氧空位浓度会减小体系磁矩，甚至破坏铁磁有序。本研究工作探讨了缺陷诱导铁磁行为机理，并通过实验参数调整、元素掺杂、表面处理等方式实现了缺陷浓度和种类的改变，从而在一定程度上实现了对铁磁行为的调制，为磁性半导体和电子自旋器件的发展提供了很好的材料和理论基础。