研究目的
为探究未掺杂ZnO体单晶中室温铁磁性的起源,重点研究表面氧空位的作用。
研究成果
未掺杂ZnO体单晶中的室温铁磁性归因于位于表面或近表面的单占据氧空位(VO+)。氩气氛围退火可调控这些缺陷,磁化强度、拉曼光谱、光致发光、电子顺磁共振及原子力显微镜测量结果的一致性趋势证实了这一点。该发现揭示了氧化物半导体中铁磁性的起源,并表明表面工程可作为调控磁性能的方法。
研究不足
该研究仅限于未掺杂的ZnO单晶,可能无法推广至掺杂或多晶材料。氩气氛围下的退火过程可能引入特定缺陷类型,且表面敏感技术(如325 nm激发光致发光)主要探测近表面区域,可能遗漏体相贡献。铁磁性的重现性及确切机制尚需进一步验证。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用水热法生长的市售纯ZnO体单晶。样品在不同温度的氩气氛围中退火以调控缺陷浓度。通过SQUID磁强计测量磁学性能,并运用多种光谱技术(拉曼、光致发光、电子顺磁共振)和原子力显微镜将缺陷态与铁磁性相关联。
2:样品选择与数据来源:
购买自合肥晶技材料有限公司的(0001)取向ZnO单晶。样品被抛光成5×5×0.5 mm3尺寸,并在退火前进行超声清洗。
3:5 mm3尺寸,并在退火前进行超声清洗。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:设备包括SQUID(MPMS XL-7,Quantum Design)、配备532 nm激光的拉曼光谱仪、原子力显微镜(布鲁克Dimension Icon)、光致发光光谱仪(Horiba LabRam HR800,325 nm激发)及电子顺磁共振谱仪(JES-FA200)。材料包含ZnO单晶、乙醇、丙酮、去离子水和氩气。
4:实验流程与操作步骤:
样品分别在400°C、600°C、800°C和1000°C氩气环境中退火30分钟。磁学测量在室温下进行。拉曼、光致发光和原子力显微镜测量均在室温完成,电子顺磁共振则在123 K下实施。通过数据采集与分析建立关联性。
5:数据分析方法:
采用各仪器标准技术分析数据。例如利用拉曼强度比估算氧空位浓度,通过拟合光致发光光谱识别缺陷相关发射峰,并计算电子顺磁共振g因子以鉴定缺陷类型。
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获取完整内容-
SQUID
MPMS XL-7
Quantum Design
Measuring magnetic properties at room temperature
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AFM
Dimension Icon
Bruker
Characterizing surface morphologies and roughness
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EPR Spectrometer
JES-FA200
JEOL
Recording electron paramagnetic resonance spectra at low temperature
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PL Spectrometer
LabRam HR800
Horiba
Performing photoluminescence measurements with 325 nm excitation
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Raman Spectrometer
Carrying out Raman scattering measurements with 532 nm laser
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ZnO Single Crystal
HeFei Crystal Technical Material Co., Ltd
Used as the sample material for experiments
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