缺陷和非磁性元素掺杂诱导的氮化镓纳米结构磁性机理及调控研究

缺陷和非磁性元素掺杂调制的磁性半导体纳米结构是稀磁半导体研究领域的前沿方向。GaN纳米结构具有优异的光电性质，而缺陷和非磁性元素掺杂对其磁性的作用机理和调控技术目前还缺乏系统研究。本项目拟以GaN纳米结构为研究对象，通过化学气相沉积、固相反应氮化、后期特定气氛热处理、化学刻蚀等实验手段，可控制备缺陷和非磁性元素掺杂的GaN纳米结构，利用结构、成份、磁学、光学、电学等物化表征手段，系统研究材料的缺陷、掺杂、形貌等关键参数对其磁性质的影响，揭示磁性的产生机制，发展出利用缺陷和非磁性元素掺杂调控GaN纳米结构磁性的新实验技术，获得集磁、光、电多种优异性质于一体的GaN纳米结构，为其在自旋光电子器件中的应用打下研究基础。

宽带隙半导体氮化镓(GaN)基的稀磁半导体纳米结构在光电及自旋电子器件中有广泛应用前景，研究非磁性元素掺杂和缺陷对GaN纳米结构磁性的作用具有重要的科学意义和技术价值。本项目以了解缺陷和非磁性元素掺杂对GaN半导体纳米结构中磁性的作用机制和发展磁性调控技术为研究目标，认识元素掺杂对GaN纳米结构的生长、形貌演化、微结构、磁性质和光学性质的影响规律，发展实验技术，制备新型的GaN基磁光电半导体纳米结构。项目开展了系统、大量的研究工作，利用高温固相反应、化学气相沉积、固相扩散等制备技术，合成了主族元素Si、Ge，稀土元素Nd，Ce，Sm、Pr、Gd，副族及过渡族元素Zn，Ag，Mo掺杂的GaN纳米颗粒和纳米线，研究了掺杂对材料的生长和物性的作用，分析了Ga空位、氧杂质对材料光学和磁性质的影响。研究发现，通过固相反应合成的掺杂GaN纳米颗粒，在晶格中形成的掺杂浓度都比较低，难以实现大于2 at%的掺杂，但少量元素掺杂将导致GaN纳米颗粒尺寸减小，结晶变差，镓空位增多，通过掺杂元素与镓空位的协同作用，在材料中将诱导并增强铁磁性，但这些铁磁性普遍比较弱，产生的饱和磁化强度在10的负3 emu/g数量级。通过化学气相沉积法生长的Zn掺杂GaN纳米线，能够实现3.3 at%的掺杂, 对材料的生长形态有一定影响，但能够保持纳米线的单晶结构，并增强材料的铁磁性。.项目的以上研究工作，给出了多种元素掺杂GaN纳米材料的一般合成方法，展示了结构缺陷与非磁性掺杂元素对材料磁性的作用规律，对扩展和深化GaN基稀磁半导体纳米结构的研究有积极的促进作用。