地球科学进展课程读书报告

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1、中国地质大学（北京）博士生《地球科学进展》读书报告题目：硬质合金表面涂层技术研究姓名：习建国学号：3002130003院部：工程技术学院专业：材料科学与工程相近课程名称：硅酸盐体系材料设计原理与方法授课教师：马鸿文上课总学时数：36联系方式：18901289693SnO2基稀磁半导体的研究进展习建国3002130003稀磁半导体（DMSs）是指在非磁性半导体材料基体中通过入少量磁性过渡金属元素或稀土金属元素使其获得铁磁性能的一类新型功能材料。目前，在DMSs材料中发现了许多新的物理现象，巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应、巨负磁阻效应、磁致绝缘体金属转变等。利用

2、这些效应，可以制备出各种新型功能器件，为一些科技的发展提供条件。因此这种新型材料的研究倍受人们的关注。2000年，Dietl[1]等人用齐纳模型从理论上预言p型ZnO,GaN掺杂Mn的Tc可以达到室温，引起了大家对ZnO基母体材料的研究兴趣。ZnO由于具有优良的特性和广泛的应用，掀起了人们对ZnO基稀磁半导体材料的研究热潮。同时，SnO2氧化物独特的物理和化学性质，也开始成为人们的稀磁半导体研究热点之一。1.稀磁半导体的磁性机制在对宽带隙稀磁半导体材料的研究中，已有许多研究小组通过大量实验观察到的室温铁磁性，但是由于稀磁的磁化行为对制备工艺条件的敏感性较强，以及制备

3、工艺重复性较差，造成在不同工艺下制备的材料，其磁性的起源也有所不同。对于过渡金属掺杂的稀磁材料来说，磁性的起因可分为两类，即本征稀磁结构和外在的磁性杂质。如果稀磁材料的铁磁性来源于第二相，这将限制其在自旋电子器件中的应用。所以区分室温铁磁性的来源对研究具有实用价值的稀磁材料至关重要。由于确定铁磁性来源对发展稀磁半导体材料至关重要，决定该是否具有实际应用的潜力，目前许多研究者致力于稀磁半导体铁磁本征性的证明。然而由于磁性元素掺杂量较少，形成的金属团簇尺寸很可能处于纳米级别，因此即使采用XRD、TEM等传统手段未检测到第二相的存在，依然不能完全确定材料的铁磁性是否为本征

4、属性。近些年来，利用同步辐射源的X射线吸收精细结构技术和磁圆二色技术被引入稀磁半导体的研究，鉴于该检测手段的高灵敏度，目前该实验方法在确定材料铁磁性来源上的可靠性等到了绝大多数研究者的认可。比如Liu等人[2]采用X射线吸收精细结构技术对Co掺杂的ZnO薄膜进行了表征，通过将薄膜的近边结构谱与Co单质和化合物图谱相比，排除了样品中杂质相的存在；另外在对扩展谱进行拟合计算的基础上证实Co原子掺入ZnO晶格取代了Zn原子的位置，从而证明了该Co-ZnO薄膜的铁磁性为材料的本征性能而来自铁磁污染。（1）载流子诱导机制在早期的稀磁材料研究中，载流子诱导机制在解释铁磁性起源上

5、占据统治地位。根据此理论，过渡族金属离子间可通过自由载流子媒介作用产生铁磁交换耦合，该机制适用于导电性能良好、载流子浓度较高的稀磁半导体材料。载流子诱导机制又可细分为双交换理论、RKKY理论和平均场理论。双交换理论机制最早在1951年由Zener提出，被人们广泛用来解释锰氧化物的电子输运性质和磁行为[3]。根据双交换理论，两个不同价态的磁性离子间以中间的氧原子为媒介形成铁磁性耦合。2000年，Sato等[4,5]在采用传统双交换理论解释过渡族金属掺杂ZnO的铁磁性时，将交换媒介由O2-换成巡游载流子，磁性离子和载流子间产生直接交换，即电子可以“跳跃”到磁性离子的d轨

6、道上，相邻的磁性离子通过巡游电子的调节而实现铁磁有序。随后Kevin等[6]又对此双交换理论做了进一步的延伸，他们认为电荷转移到过渡族金属的d轨道上，使得过渡族金属离子的价态发生改变。该理论根据形成不同离子价态在能量上的难易，提出Co离子和Mn离子很容易分别通过电子和空穴的转移形成Co-ZnO和p型载流子对Mn-ZnO稀磁材料实现室温铁磁性的重要作用。RKKY理论二十世纪五六十年代，Kasuya[7]和Yosida[8]在研究Mn-Cu合金核磁共振超精细结构问题时，根据Ruderma和Kittel的理论模型[9]，进一步提出了Mn的d电子和导电电子间的交换作用使电子

7、极化，从而导致Mn原子的d电子与近邻Mnd电子产生间接交换作用的模型。该理论被称作RKKY理论，描述了局域磁矩之间通过传导电子的极化效应而产生的间接交换作用。RKKY相互作用理论已被广泛用来解释稀磁材料中的铁磁性。RKKY相互作用与双交换相互作用同样是由载流子所调制的，但在RKKY理论中载流子作用距离远大于双交换理论中的作用距离，为长程耦合作用。Liao等人[10]将RKKY和双交换理论相结合，合理解释了Al,Co共掺杂ZnO纳米线中的铁磁性机制。Mounkachi等人[11]采用密度泛函第一性原理计算表明，在Zn0.8Mn0.2O1-yNy系统中，当空穴载流子