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大部分的钴掺杂ZnO稀磁半导体的实验结果可以用束缚磁极化子(BMP)模型解释,氧空位和间隙锌都可以提供有效的束缚磁极化子,从而实现铁磁性.至于n型掺杂(如Al)能否提供有效的束缚磁极化子仍然有争议.另外,有些情况下样品的铁磁性很可能来自会属Co团簇.
本研究以Zn(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O和氨水为原料,采用共沉淀法制备了Zn1-xCoxO(x=0.054,0.100,0.159),然后在5vol.%H2/Ar气流中于300℃退火3小时.实际组分x是用电子探针X射线显微分析法得到的.通过测量X射线衍射,发现所有样品的主相均为纤锌矿结构,而x=0.100、0.159的样品出现了立方CoO杂相.室温的磁滞回线表明所有样品都具有室温铁磁性,而且回线呈现出蜂腰形,意味着可能有两个铁磁相.进一步测量了高温区磁化强度对温度的依赖关系,发现确实有两个铁磁相:高温铁磁相的居里温度大于573 K,我们认为来自还原气氛中形成的金属钴;另一个铁磁相的居里温度依次为453 K、473K和483 K,随掺杂增多而缓慢增大.
低温铁磁相的磁性可能来自Co替代进入ZnO产生的本征磁性,也可能来自纳米CoO杂相的弱磁性.但是通过对磁化强度的分析发现,纳米CoO杂相不可能提供如此强的磁性,所以该铁磁相来自Co替代进入ZnO,而且磁性可以用束缚磁极化子(BMP)模型解释.还原性气氛中产生的氧空位形成束缚磁极化子.
测量了样品的X射线光电子谱。发现Co2+的2p3/2主峰出现了宽化并且有两个次峰,在780.1 eV附近的次峰对应于CoO,另一个结合能更高的次峰对应于Co俗代进入ZnO;x=0.100和0.159的样品在777.3 eV附近出现明显的峰,对应于金属Co的2p3/2.这进一步证实了钴的三种存在状态:金属钴、替代进入ZnO和Co0.也证实了前面对磁性来源的分析.
总之,还原性气氛中退火的样品Zn1-xCoxO具有室温铁磁性,铁磁性来自Co替代进入ZnO产生的本征磁性与金属Co团簇的铁磁性的混合.