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稀磁半导体材料的结构与性质稀磁半导体材料是一类具有特殊磁性和半导体特性的材料，它们在磁性和电子学领域具有重要的应用潜力。
本文将探讨稀磁半导体材料的结构与性质，并介绍一些相关的研究进展。
一、稀磁半导体材料的基本概念稀磁半导体材料是指在晶体中含有稀土元素或过渡金属离子的半导体材料。
这些材料既具有半导体的电子学特性，又具有磁性的特点。
稀磁半导体材料的磁性来源于其中的稀土或过渡金属离子的磁性，而半导体特性则来自于材料的能带结构。
二、稀磁半导体材料的结构稀磁半导体材料的结构通常是由晶体结构和离子掺杂结构两部分组成。
晶体结构决定了材料的晶格参数和晶体对称性，而离子掺杂结构则决定了材料中的稀土或过渡金属离子的位置和取代程度。
在晶体结构方面，稀磁半导体材料常采用锌刚石结构或闪锌矿结构。
锌刚石结构的晶胞中包含两个互相取代的离子，其中一个是半导体基底元素（如锌或镓），另一个是稀土或过渡金属离子。
闪锌矿结构的晶胞中也包含两个互相取代的离子，但其中一个是半导体基底元素，另一个是稀土或过渡金属离子。
离子掺杂结构的设计和控制对于稀磁半导体材料的性能至关重要。
通过掺杂不同的稀土或过渡金属离子，可以调节材料的磁性和半导体特性。
此外，还可以通过掺杂不同的浓度和位置，实现材料的磁性和电子学特性的优化。
三、稀磁半导体材料的性质稀磁半导体材料的性质主要包括磁性和电子学特性。
磁性是稀磁半导体材料的重要特征之一，它可以通过外加磁场或温度的变化来调节。
稀磁半导体材料通常具有铁磁、反铁磁或顺磁性质，这取决于其中的稀土或过渡金属离子的自旋排列和相互作用。
除了磁性，稀磁半导体材料还具有半导体的电子学特性。
这些材料的能带结构和导电性质可以通过离子掺杂和外加电场来调节。
稀磁半导体材料的能带结构通常包括导带、价带和禁带，电子和空穴的运动在其中起着重要的作用。
稀磁半导体材料的磁性和电子学特性使其在磁性存储、磁性传感器和自旋电子学等领域具有广泛的应用前景。
Cu掺杂ZnO的光学带隙和磁学性能关系罗霜;王古平;王欢;王智辉;彭昭军【摘要】ZnO, Zn0.99Cu0.01O,Zn0.97Cu0.03O,Zn0.95Cu0.05O andZn0.92Cu0.08O powder crystals were synthesized by auto-clave hydrothermal method. Particle sizes, structural properties, optical band gap and magnetism performance were an-alyzed by SEM, XRD, UV-VIS and VSM, respectively. The results revealed that both pure ZnO and Zn0.99Cu0.01O have wurtzite structure and no secondary phase was detected. While, CuO secondary phase appears gradually and particle sizes, structure parameters, the (002)preferred orientation of main phase ZnO have varied with Cu doped content in-crement. The striking similarities between changes in preferred orientation, optical band gap and saturation magnetiza-tion indicated a strong correlation between these properties. The higher(002)preferred orientation is, the smaller opti-cal band gap is, and the stronger saturation magnetization is. Zn 0.95Cu0.05O has a smallest optical band gap, and a highest saturation magnetization, which enhance 57%compared with pure ZnO.%采用高压釜水热法制备了不同Cu掺杂摩尔配比组分的ZnO,Zn0.99Cu0.01O,Zn0.97Cu0.03O,Zn0.95Cu0.05O和Zn0.92Cu0.08O粉晶.利用SEM,XRD,UV-VIS和VSM研究了样品的颗粒尺寸、结构特性、光学带隙和饱和磁化强度间关系.XRD结果表明ZnO和Zn0.99Cu0.01O为纤锌矿结构ZnO,未发现杂质第二相.随着Cu掺杂含量增加,样品逐渐产生CuO杂质第二相,主相ZnO的结构参数和(002)晶面择优取向发生变化.SEM显示样品颗粒为纳米级别,其大小随Cu掺杂含量增加有所不同.择优取向、禁带宽度和饱和磁化强度存在密切关联.(002)择优取向越高,光学带隙越小,饱和磁化强度越大.Zn0.95Cu0.05O达到最大值,相比于纯ZnO,饱和磁化强度提高了57%.【期刊名称】《化学工程师》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】5页(P8-12)【关键词】高压釜水热法;磁学性能;光学带隙;Cu掺杂;ZnO【作者】罗霜;王古平;王欢;王智辉;彭昭军【作者单位】台州学院物理与电子工程学院,浙江台州 318000;台州学院物理与电子工程学院,浙江台州 318000;台州学院物理与电子工程学院,浙江台州318000;台州学院物理与电子工程学院,浙江台州 318000;台州学院物理与电子工程学院,浙江台州 318000【正文语种】中文【中图分类】O611.3稀磁半导体（Dilute magnetic semiconductors，DMSs）由于兼具有电子的电荷和自旋双重属性，因此，在自旋电子器件方面具有潜在的应用[1]。
半导体物理学中的半导体能带理论与能带间隙分析半导体能带理论是半导体物理学的基础，它是理解半导体行为和特性的重要理论模型。
半导体能带理论将电子在半导体中的运动和能量分布描述为围绕原子核的能带结构。
在能带理论中，半导体的电子由两个主要的能带组成，即价带和导带。
价带中的电子处于较低能量状态，不参与电流传导；而导带中的电子能量较高，可以导致电流流动。
能带之间的能量差称为能带间隙。
半导体能带理论的发展可以追溯到20世纪中叶，此前，人们对于材料中电子行为的理解仅仅局限于金属和绝缘体的行为。
通过实验观察到的现象和理论推导，科学家们开始认识到，半导体具有介于金属和绝缘体之间的特性。
他们发现，在某些特殊的材料中，电子的行为与能量与电路中电流的行为有着密切的关系。
半导体能带理论的核心概念是“带隙”或“能带间隙”。
在半导体中，价带和导带之间的能量差距被称为能带间隙。
这个能带间隙决定了半导体的导电性能以及其他许多特性。
能带间隙大小与材料的种类密切相关。
一般来说，带隙较小的半导体在室温下更容易导电，而带隙较大的半导体则需要更高的能量激发才能导电。
能带理论还解释了半导体中电子行为的一些重要特性。
例如，材料中的电子处于能带中的不同态，在外加电场或热激发等作用下，电子可以跃迁自价带到导带，形成电流。
此外，能带理论还解释了半导体中的禁带掺杂。
掺杂是指向半导体中引入一些杂质，以改变其导电性能。
半导体通过掺杂可以增加其导电性能，例如从n 型半导体变为p型半导体。
能带理论的发展不仅为半导体物理学提供了基本的理论基础，也为半导体器件的设计和制造提供了重要的指导作用。
半导体器件例如晶体管、二极管和光电二极管等都是基于半导体能带理论的原理工作的。
在设计和制造这些器件时，能带理论不仅可以提供有关器件特性和性能的重要信息，还可以指导材料选择和结构优化，从而获得更好的器件性能。
值得一提的是，尽管半导体能带理论已经广泛应用于半导体物理学和器件工程中，但这并不意味着它是完美的。
稀磁半导体材料的研究报告摘要：稀磁半导体材料是一类具有磁性和半导体特性的材料，具有广泛的应用前景。
本研究报告旨在综述稀磁半导体材料的研究进展、特性及其在电子学和磁学领域的应用。
通过对已有研究成果的梳理，总结了稀磁半导体材料的磁性机制、电子结构调控以及其在磁存储、自旋电子学和量子计算等方面的应用。
本报告的目的是为进一步推动稀磁半导体材料的研究和应用提供参考。
引言：稀磁半导体材料是一类具有特殊磁性和半导体特性的材料，其磁性源于材料中的稀土或过渡金属离子。
稀磁半导体材料的研究和应用在近年来引起了广泛的关注。
稀磁半导体材料不仅具有传统半导体的电子学特性，还具有可调控的磁性，这使得它们在磁存储、自旋电子学和量子计算等领域具有潜在的应用价值。
主体：1. 稀磁半导体材料的磁性机制稀磁半导体材料的磁性源于其中稀土或过渡金属离子的自旋。
通过控制离子的自旋排列和相互作用，可以实现材料的磁性调控。
常见的稀磁半导体材料包括铁磁半导体、锰磁半导体和铜磁半导体等，它们的磁性机制各不相同。
研究人员通过磁性测量、电子顺磁共振等方法揭示了这些材料的磁性行为，并提出了相应的磁性模型。
2. 稀磁半导体材料的电子结构调控稀磁半导体材料的电子结构对其磁性和半导体特性具有重要影响。
通过控制材料的组分、晶格结构和掺杂等手段，可以调控材料的能带结构和磁性行为。
例如，通过掺杂过渡金属离子或调控晶格结构，可以实现材料的铁磁性、反铁磁性或非磁性。
此外，利用外加磁场、光照等外界调控手段，也可以实现稀磁半导体材料的电子结构调控。
3. 稀磁半导体材料在磁存储中的应用稀磁半导体材料在磁存储领域具有广阔的应用前景。
由于其可调控的磁性和半导体特性，稀磁半导体材料可以用于实现高密度、低功耗的磁存储器件。
研究人员通过调控材料的磁性和电子结构，设计了多种新型磁存储器件，如自旋转矩传感器、磁随机存取存储器等，取得了一系列重要的研究进展。
4. 稀磁半导体材料在自旋电子学中的应用稀磁半导体材料在自旋电子学领域也具有重要应用。
AbstractToday, the information processing is developing fast. The transfer and storage ofinformation are still base on the classical methods —controlling the charge and spin of electron, respectively. With the increase of information we need, the disadvantage of the classical semiconductors and ferromagnets working independently is coming forth. The diluted magnetic semiconductors (DMSs) based on both the charge and spin of electron have been one of the most interesting fields. Due to the incorporation of transition metal elements or rare earth elements, DMSs have many strange properties, compared to the classical semiconductors. DMSs have potential applications in the future.A lot of studies on Mn doped Ⅳ group DMSs have been reported on theories and experiments. In spite of the delightful results, the discussions on the origin of the ferromagnetism and on the application are requiring further studies. In this paper, we have prepared Fe and Cu doped Si/Ge semiconductors. As following works:1. We have prepared Fe-doped Ge1-x Fe x films on Si substrates, with the substrate temperature of 473 K, and then the samples were annealed at 873 K for 20 min in vacuum. XRD measurements showed that all the samples had a Ge crystal structure, without any other secondary phases. The doped Fe atoms existed as Fe2+ mostly in the sample, with only a few Fe0. A majority of Ge atoms existed as Ge0, with some Ge-O and Ge-Fe bonds. In the sample with Fe-doped concentration about 11.3%, Fe3+ ions appeared. Magnetic measurements revealed that the samples were ferromagnetic at low temperature, and the Curie temperature was about 300 K. The ferromagnetism arises from the interaction between the random magnetic Fe atoms.2. The Si(Fe,N) films were prepared by Fe ions implantation using metal vapor vacuum arc technology and N ions implantation using Kaufman technology. XRD measurements revealed that ion-implantation did not change the crystal structure of Si matrix, without any other secondary phases. XAFS suggested that Fe ions were at thesubstituted sites in the low-dose implanted sample, and formed FeSi2 complex in theVhigh-dose implanted sample. The magnetic domain was observed in MFM. Magnetic measurements showed that the maximum saturated magnetization was 0.46 µB/Fe in the lowest-dose implanted sample (2.0×1016 cm-2). In site and post annealing both reduced the magnetization. Hall effect measurements revealed that the doped samples were n-type. Furthermore, the saturated magnetization decreased with the increase of the carries concentration. The ferromagnetism of the implanted samples was not dependent on the concentration of the carries, but on the substituted magnetic Fe atoms.3. The Cu-doped Si:Cu films were prepared by Cu-ion implanted into n-Si(100) substrate using metal vapor vacuum arc technology. XRD measurements showed that the singlecrystal structure changed to polycrystal structure after Cu-ion implantation, with some defects, such as interstitial Cu, interstitial Si and Si vacancy, but without any other secondary phases. Cu ions existed as Cu+ ions in the as-implanted samples, and after rapid thermal annealing in a N2 environment, a few Cu2+ ions appeared in the sample. Hall effect measurements revealed that the Cu-ion implanted Si samples were p-type. Magnetic measurements suggested that all the samples were ferromagnetism at room-temperature. The ferromagnetism was from the interaction between the Cu+ ions and Si vacancies mediated by the hole carriers.Key Words: magnetic semiconductor ion implantation magnetic domain Hall Effect transport propertyVI学位论文原创性声明本人所提交的学位论文《Fe/Cu掺杂Ge/Si基稀磁半导体薄膜的结构及磁性研究》是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。
关于Li掺杂非磁性半导体SnO2的磁性研究作者：刘昱闫羽来源：《现代交际》2016年第06期[摘要]采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法分析Li掺杂SnO2材料，研究了Li替代Sn原子掺杂和氧空位缺陷对SnO2体系电子结构和磁性的影响。
计算结果表明，含有氧空位的SnO2体系是非磁性态，而含有氧空位的Li替代掺杂SnO2体系的基态是磁性态。
Li替代Sn掺杂使SnO2体系产生磁性，并且磁矩随掺杂原子浓度的增加而增大，氧空位缺陷使替代掺杂的SnO2体系的形成能降低，这表明有氧空位的情况下，替代掺杂更容易形成。
电子结构分析表明，体系磁矩的产生主要来源于替代原子周围的O原子p轨道的贡献，从理论上解释了产生磁矩的原因。
[关键词]第一性原理 Li掺杂 SnO2 磁性[中图分类号]O483 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2016）06-0144-03最近关于非磁性离子掺杂稀磁半导体材料的磁性研究引起了物理学界的广泛关注。
稀磁半导体作为一种最有希望实现自旋电子学应用的功能性材料，可以通过掺杂导致磁性。
氧化物半导体SnO2具有高透光性、高化学稳定性和高导电性，被广泛应用于气体传感器、透明导电电极、催化剂载体和太阳能电池等方面。
非磁性离子掺杂可以有效地消除非内禀磁性所产生的影响，而且SnO2属于宽带隙半导体，能够实现n型载流子重掺杂（在温度为300k时，禁带宽度达3.6eV）。
实验研究发现，非磁性的SnO2掺杂非磁性的元素Li后，具有铁磁性，其饱和磁矩随掺杂Li离子浓度的增加而增加。
目前关于Li掺杂SnO2产生磁性规律的机制还没有报道。
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法分析Li掺杂SnO2材料，研究了Li替代和氧空位对SnO2电子结构和磁性的影响，并进行了对比分析，得到了有意义的结果。
一、理论模型和计算方法（一）理论模型理想的SnO2属于四方金红石结构，每个Sn原子周围包含有6个氧原子，Sn原子处于氧八面体中心。
Zn基稀磁半导体磁性及输运性质的研究稀磁半导体兼有磁性和半导体材料的性质,可以同时实现对电子电荷和自旋的调控。
作为最有潜在应用价值的自旋电子学材料,稀磁半导体备受研究者的关注。
本世纪初,Dietl等人从理论上预测了过渡金属掺杂ZnO和GaN宽带隙半导体材料的居里温度要高于室温。
该预测重新燃起了人们对过渡金属掺杂ZnO、ZnS 稀磁半导体的研究热情。
稀磁半导体的磁性容易受合成方法及条件的影响,有些表现铁磁性,有些是反铁磁性,有的甚至是自旋玻璃态或顺磁性。
此外,稀磁半导体的磁性来源一直存在争论。
进一步阐明稀磁半导体的铁磁性机理,获得稳定的室温铁磁性是我们关注的热点。
本文主要研究了Co掺杂ZnO,ZnS纳米材料的磁性及其他性质。
具体内容如下:（1）我们通过化学共沉淀法成功制备了晶粒尺寸在4纳米左右的闪锌矿结构的Zn<sub>0.97</sub>Co<sub>0.03</sub>S超细纳米颗粒。
氢气退火处理2 h后,Zn<sub>0.97</sub>Co<sub>0.03</sub>S的晶体结构从闪锌矿结构转变为纤锌矿结构,而且在室温下可以观察到明显的磁滞回线。
结合第一性原理与相关测试,我们认为Zn<sub>0.97</sub>Co<sub>0.03</sub>S的铁磁性来源于以间隙H为媒介的Co离子之间的铁磁耦合。
（2）为了阐明铁磁性的来源并且获得具有铁磁性的催化剂,我们对Zn<sub>0.98</sub>Co<sub>0.02</sub>O纳米颗粒进行了不同氛围的退火处理（真空,氢气,先真空后氢气）。
制备态及真空退火处理的Zn<sub>0.98</sub>Co<sub>0.02</sub>O是顺磁性的,而氢气退火处理的Zn<sub>0.98</sub>Co<sub>0.02</sub>O则具有室温铁磁性。
宽禁带稀磁半导体材料研究进展作者：黄庆红来源：《新材料产业》 2013年第11期文/ 黄庆红工业和信息化部电子科学技术情报研究所为适应现代信息技术超高速、超高频和超大容量的发展趋势，研究者开始关注同时具备磁性及半导体特性的材料。
从20世纪80年代开始，研究者尝试将少量的磁性原子掺入非磁性宽禁带半导体材料中，以获得磁性半导体材料，制备出集磁、光、电于一体的低功耗新型半导体电子器件。
因此，宽禁带稀磁半导体（D i l u t e d M a g n e t i cSemiconductor，DMS）应运而生。
由于电子同时具有电荷和自旋2种属性，其中，利用电子的电荷属性能够制备出半导体器件，利用电子的自旋属性则可以得到大容量信息存储器件。
宽禁带D M S同时具有电子的电荷属性和自旋属性，可直接与已有的半导体工艺相集成，在开发光、电、磁多功能集成新型器件方面具有重要用途，可广泛用于未来的磁（自旋）电子器件，在磁性物理学和半导体物理学之间架起了一座桥梁，从而使传统的电子工业面临一场新的技术革命。
宽禁带D M S在室温下具有铁磁性，因而成为材料界的研究热点。
本文论述了宽禁带稀磁半导体材料的特殊物理性质，总结其研究现状，归纳研究重点，并展望了其应用前景。
一、宽禁带DMS 材料的物理特性1. 定义宽禁带半导体材料是指禁带宽度E g≥ 3.2e V的半导体材料。
宽禁带D M S是在非磁性宽禁带半导体材料中通过掺入少量磁性过渡族金属元素〔（Transition Metal，TM），如锰（M n）、铁（F e）、钴（C o）、铬（C r）、镍（N i）、铜（C u）等〕或稀土金属元素，使其获得铁磁性能的一类新型功能材料。
所掺入的磁性金属原子替代了半导体基体晶格中部分阳离子所处的晶格位置。
2000年D i e tl基于传统的Z e n e r载流子与局域自旋交换相互作用模型，通过理论计算预言了宽禁带半导体氮化镓（GaN）和氧化锌（ZnO）具有居里温度（T c）高于300K的铁磁性。
宽带隙和窄带隙稀磁半导体的电性与磁性研究稀磁半导体(DMS)既具有半导体性能又具有磁性,是良好的自旋电子器件材料。
本文着重研究宽带隙ZnO基稀磁半导体以及零带隙稀磁半导体PbPdO2的电性和磁性。
第一部分采用超声喷雾法制备ZnO:Cr薄膜,比较不同掺杂比例对薄膜结构、形貌、光学及磁学性能的影响。
研究表明,掺Cr抑制ZnO薄膜c轴择优取向的特性,并增大样品晶粒尺寸;3%掺杂比下样品有最大粒径。
掺杂样品均存在VZn(锌空位)、Zni(Zn间隙位)、VZn-(带一个电子的锌空位)内部缺陷态,且当掺铬3%时,VZn最多;铬的掺杂使得薄膜的带隙增大,并且x=3%时,禁带宽度最大;掺杂样品均具有室温铁磁性,掺3%Cr的样品的磁化强度最大,这与VZn(锌空位)最大相对应,验证了 Cr3+和VZn的缺陷复合体是ZnO:Cr样品具有稳定的铁磁有序的最有利条件的理论预测。
第二部分用脉冲激光沉积法分别制备(211)和(002)择优取向的PbPdO2薄膜(样品A和样品B),研究两类样品各项物理性质的差异。
结果表明两种样品均为颗粒膜,平均粒径达到200nnm;晶体不同择优取向对样品物理性质具有显著影响:随着温度上升,样品A功函数减小,而样品B几乎不变,这意味着样品B具有零(或小)带隙特性。
电性测试结果表明样品B具有更好的导电性。
两种样品在370K附近有一个很宽的金属-绝缘体转变温度TM1。
实验结果与本小组由第一性原理基于电子态密度的计算结果相一致。
第三部分采用脉冲激光沉积法制备离子掺杂(Fe,Co,Cu)PbPdO2薄膜,研究
掺杂对薄膜物理性能的影响。
结果表明,离子掺杂使薄膜从颗粒状转变为约
200nm棒状;电阻率测试结果表明,掺Fe使样品电阻率升高,掺Cu、Co使样品电阻率降低,导电性增强,;四种样品都存在一个很宽的金属-绝缘体转变温度TMI,并且掺杂样品的TMI较未掺杂样品都往低温方向偏移。
磁性结果表明,四种样品室温下均具有弱磁性,并且PbPd0.9Fe0.1O2的磁性最强。
