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最近一种新的磁性现象引起了人们的广泛关注和兴趣,没有磁性离子掺杂的半导体材料表现出了宏观铁磁性,显然这种铁磁有序与磁性离子无关,而是与各种缺陷有关,这种磁性现象被称为d0铁磁性。部分研究表明氧空位可以在ZnO、TiO2、SnO2、CeO2等体系中建构起铁磁交换作用;后来的研究发现阳离子缺陷在某些体系中也能够引起材料的宏观铁磁性,比如CaO、MgO等体系。除了氧化物半导体体系外,最近的研究发现在CaB6、GaN体系中也有这种现象。面对这样一类全新的d0铁磁性体系我们需要做进一步的研究,阐述它的磁性机理。既然未掺杂的半导体体系也存在室温铁磁性,那么我们在研究磁性离子掺杂的体系时就必须考虑基材料本身的室温铁磁性,不能仅仅将磁有序归因于磁性离子的贡献,以往很多的研究内容都需要修正。令人奇怪的是,ZnS的d0铁磁性在理论上已经有人做了大量的研究,然而却很少有与之相关的实验报道。理论研究大都倾向于是缺陷调节的铁磁有序,缺陷是在样品的制备过程中产生的。基于此,我们有理由相信通过改变样品的缺陷浓度和种类可以调节铁磁有序。我们对ZnS的d0铁磁性做了详细的分析。
我们通过固相反应制备的ZnS都呈现出室温铁磁性,经过退火处理后得到了非常有意思的磁性变化。在真空中退火后,样品饱和磁矩有明显增强,而矫顽力增加并不明显;在氢气中退火后,饱和磁矩和矫顽力有明显增加;据此,我们的样品中存在能够引起室温铁磁性的两种不同机制:(1)表面阴离子离子调节的室温铁磁性;(2)锌原子占据阴离子空位引起的室温铁磁性。机制(1)可以带来较大的饱和磁矩,然而矫顽力较小;机制(2)不仅可以引起较大的饱和磁矩,而且矫顽力也比较大。
对于钴掺杂硫化锌的系列样品(Zn1-xCoxS),我们主要分析了掺杂量x=0.1的样品。室温铁磁性的强弱主要取决于Co离子的局域分布情况,而与阴离子空位的多少关系不大。正是基于这种分析,我们就可以理解为什么随着退火温度的增加S空位的浓度减少,以及样品铁磁性反而增强的现象。然而当退火温度达到200℃的时候,晶体结构不再稳定,有部分的钴离子被氧化,导致铁磁性的强度有所减弱,说明样品的铁磁性主要源于Co离子的贡献。