Li、Al掺杂SnO2稀磁材料的结构及磁、光、电特性的研究

摘要

二氧化锡(SnO2)是一种多功能透明氧化物半导体材料，具有价格低廉、无毒无害、制备温度低、热稳定性高和物理化学性质稳定等优点，已被应用于透明导电电极、太阳能电池、气敏元件及建筑玻璃等方面。SnO2材料具有较宽的带隙和较大的激子束缚能(130meV)，因此是一种很有前途的紫外发光材料。2003年，Ogale等人在Co掺杂的SnO2薄膜中发现的巨磁矩和高居里温度吸引了众多研究者的注意。此后人们对SnO2进行了大量的研究，但是SnO2基材料的室温铁磁性起源尚无明确的结论。依据“d0铁磁性”的理论，半导体中局域磁矩的产生和长程铁磁性的建立归因于点缺陷的存在。然而，仅少量的文章报道了SnO2基材料的d0铁磁性。因此，在本论文中我们做了如下两方面的工作。
　　(1)我们用磁控溅射法在Al2O3基底上制备了外延的Li掺杂SnO2薄膜。XRD的结果表明了我们成功制备出了外延的SnO2薄膜。Li的掺杂拓宽了SnO2薄膜的光学带隙。用XPS探测到了Li的存在，Li离子替代占据Sn离子的晶格位置时会导致体系空穴的出现。XPS和PL谱测试证实样品中不存在氧空位相关的缺陷。Hall测试表明：随着掺杂浓度的增加，薄膜的导电类型由n型转成p型。在p型导电薄膜中，样品的磁性与其载流子的浓度成线性关系，从而说明空穴对掺杂SnO2薄膜样品的磁性具有重要的调控作用。
　　(2)我们利用溶胶凝胶法制备了Al掺杂SnO2纳米颗粒。XRD、HRTEM及吸收谱的结果分析表明：Al的掺杂会导致SnO2晶格的扭曲和样品中点缺陷的出现，这是由于Al离子半径与Sn离子半径相差较大。XPS不仅探测到了Al的存在，还发现样品中存在氧空位缺陷。另外，PL谱测试发现样品中存在黄绿发光峰，这些发光峰与氧空位密切相关。Al掺杂SnO2纳米颗粒的饱和磁化强度随掺杂浓度的变化趋势与氧空位随掺杂浓度的变化趋势相同。这些结果成功证明了氧空位在解释掺杂SnO2纳米颗粒铁磁性机制上的合理性。

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第一章 绪论

1.1稀磁半导体介绍

1.2 SnO2基稀磁材料的研究现状

1.3 选题依据及本论文的研究内容

第二章 样品的制备方法和表征

2.1 薄膜样品的制备

2.2 纳米颗粒样品的制备

2.3 结构表征与物性测量

第三章 Li掺杂SnO2薄膜的结构与特性研究

3.1 外延Li掺杂SnO2薄膜样品的制备

3.2 蓝宝石基底的选取及介绍

3.3 外延Li掺杂SnO2薄膜的结构

3.4 外延Li掺杂SnO2薄膜的XPS成分分析

3.5 外延Li掺杂SnO2薄膜的电学性质

3.6 外延Li掺杂SnO2薄膜的光学性质

3.7 外延Li掺杂SnO2薄膜的磁学性质

3.8 外延Li掺杂SnO2薄膜的铁磁性机制

3.9 本章小结

第四章 Al掺杂SnO2纳米颗粒的结构和特性研究

4.1 Al掺杂SnO2纳米颗粒的结构和形貌

4.2 Al掺杂SnO2纳米颗粒的XPS成分分析

4.3 Al掺杂SnO2纳米颗粒的光学性质

4.4 Al掺杂SnO2纳米颗粒的磁性

4.5 Al掺杂SnO2纳米颗粒的铁磁性机制

4.6 本章小结

第五章 结论

参考文献

硕士在读期间已发表和已完成的论文

致谢