固相反应法制备的COxZn1-xO磁性能的研究-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Voi．61，No．15(2012)157503固相反应法制备的CoZn1-x0磁性能的研究王王月燕黄伟伟张小婷李珊瑜(泉州师范学院物理与信息工程学院，泉州362000)(2011年10月8日收到；2011年12月30日收到修改稿)采用固相反应烧结法制备了co掺杂ZnO的粉末和压片样品．XRD衍射表明样品中co离子取代zn。+离子进入了ZnO晶格中．在室温下样品均表现为顺磁性，利用密度泛函理论(DFT+U)方法计算得到的Co2Zn1406体系反铁磁基态更稳定，并通过Co，O原子电子迁移变化，表明了CoZnO体系中磁性

2、机理更倾向于co2+一0。一—co。+成键的间接交换作用模型．改进了安德森模型中的直接交换积分d公式．提出两个可能的途径来实现具有本征铁磁性氧化物半导体．关键词：CoZnO，固相反应，顺磁性，间接交换作用PACS：75．50．Pp，71．15．M备Co。Zn1-xO(x<0．12)样品测量为顺磁性【6J，但1引言是Yang等人制备的样品有室温铁磁性【7】．不同实验制备方法得到的实验结果也不同，利用PLD方随着现代科学技术的发展，人们开始探索可以法制备的zn0．98Co0．020有铁磁性[11,12】，而使用固同时控制电子电荷与自旋的本征磁性半导体[1

3、，2j，相反应制备的CoZn1-x0粉末样品，经测量样品以期在下一代自旋电子器件、半导体集成电路、却表现为顺磁性Is,9]．由于制备CoZnO磁性半导体自旋电子学计算机上得到应用．本征磁性半导体的重复性、可靠性较差，因此人们开始探索其磁性是在非磁性半导体材料(GaAs，GaN，ZnO)中掺入产生机理．磁性产生机理的理论研究方法一般是通过渡金属(Mn，Cr,Co，Ni，Fe等)，过渡金属离子过第一性原理计算CoZnO的电子结构和磁交换作替代了半导体阳离子形成的兼具磁性和半导体性用，如Chanier等人运用LSDA和LSDA+U方法计质的材料．其中氧化物

4、半导体ZnO，由于其具有算了CoZnO的电子结构【17】，Liu，Hu等人计算得较宽的带隙(3．4eV)，激子结合能(60meV左右)出了氧空位会诱导铁磁性[15,18】，Chen等人根据第也较高，同时具有良好光电、磁光等特性，且原一性原理和蒙特卡罗模拟相结合算出CoZnl一0料无毒、价廉，因而备受研究者青睐而成为研究具有稳定的铁磁基态【l9】．通过理论以及实验方热点【3-5】．这其中CoZnO磁性半导体具有较多法研究，一般认为有以下几种磁性来源：一种认为的研究结果：人们通过不同制备方法(溶胶凝胶磁性来自Co团簇[6】或者第二相[14J的出现；一法【

5、0，】、固相反应法Is,9】、离子束溅射法【10]、脉种认为其磁性来源于氧空位[1O，15]或者zn间隙冲激光气相沉积法(PLD)[11,12】、分子束外延生长位缺陷的存在[16】；一种认为其磁性来源于本征法(MBE)[13】等)把Co掺杂在ZnO中，制成样品，的CoZnO晶体中的Co2+一Co2+离子成键带来的进行磁性测量．但是实验结果根据制备条件的不同变化所引起的【17】．而各不相同，比如同样的溶胶凝胶法，Park等人制我们认为以上三种磁性来源，前二者都是福建省自然科学基金(批准号：2010J01305)，泉州市科技项目计划(批准号：2009G8

6、)和福建省高校服务海西建设重点项目(批准号：AIO0)资助的课题．十E-mail：wangf@qztc．edu．cn④2012中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．hy．ac．c礼157503—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61．No．15(2012)157503非本征的，与实验制备过程中产生杂质、缺陷六角纤锌矿结构，晶格常数为a：b=0．3249nm。有关，而要获得重复性、可靠性高的本征磁性c=0．5207nm，属于P63mc空间群【1I，这说明即半导体样品，就要采用尽量减少样品制备过程使

7、Co掺杂浓度达到16％，也未破坏六角纤锌矿结中第二相、缺陷的实验制备方法，这是其一；其构．这与Ueda研究小组用激光气相沉积法(PLD)二是最后一种磁性来源解释我们认为有进一制备的Co掺杂ZnO，未发现CoO的衍射峰，固溶步探讨的必要．因此本文使用重复性、可靠性度可达50％的实验结果一致【2I．高的固相反应法制备了本征的多晶CoZn】一O=0．01，0．02，0．05，0．08，0．125，0．16)压片块材和，‘、粉材．测试了该系列样品的微观结构、磁性，并用安德森间接交换作用模型结合第一性原理计算分喜里f析了该体系的磁性来源机理．在此基础上，提出实

8、∞一J．一拿．．．一享⋯器琴0＼o0Zn0~．oa现具有本征特性的铁磁性氧化物半导体的两个可jL．．C．92