簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 林依文
論文名稱： 氧化鋅稀磁性半導體結構與磁性之研究
The study of structure and magnetic properties in Co-doped ZnO based diluted magnetic semiconductors
指導教授： 李志浩
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 70
中文關鍵詞： 氧化鋅摻雜過渡金屬奈米顆粒
相關次數： 點閱：5  下載：0 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 由於ZnO摻雜Co的系統是相當被看好居禮溫度可以超越室溫的系統，因此論文以此系統就為研究。實驗將以較簡易的化學方式成長奈米顆粒並量測其特性；一些研究上指出奈米顆粒在室溫下的鐵磁性質不佳且磁性來源可能是由於摻雜的過渡元素產生原子團而來，因此本論文目的在於以化學製程成長出室溫之下仍具有鐵磁性質的摻雜過渡金屬之ZnO奈米顆粒並釐清其磁性來源。
    從XRD圖譜來看，以此方式成長的ZnO奈米顆粒仍維持其特有的wurtzite結構，在XRD偵測能力下並無發現其他雜相存在。另外，藉由X-ray吸收光譜可以明顯看到摻雜元素的吸收峰，表示我們的奈米顆粒中確實有成功摻雜入過渡金屬元素，且將Co K-edge的吸收光譜轉換到徑向分布之結果沒有Co金屬鍵結存在，即沒有Co原子團存在而是均勻分布於ZnO之中。
    經過比對soft-X-ray實驗圖譜與理論模擬計算摻雜Co的ZnO稀磁性半導體圖譜結果同樣發現Co由於受到侷限使得在Co的L3-edge看到精細結構。
    最後以SQUID在室溫之下測量，結果顯示我們的樣品在室溫之下是具有磁性的。

    目錄 摘要…………………………………………..……………….........I Abstract………............................................II 致謝.....................................................III 目錄..……………………………………………………………………IV 圖目錄…………………………………………………………………..VI 表目錄………………………….....………………………………...XI 第一章 序論....................... 1 1.1 前言............................ 1 1.2 氧化鋅系統的前瞻性.............. 2 1.3研究動機......................... 3 第二章 基本簡介與文獻回顧 .........4 2.1 何謂稀磁性半導體?............... 4 2.2 為何要發展稀磁性半導體.......... 4 2.3 稀磁性半導體的分類.............. 6 2.4 Ⅱ-Ⅵ族氧化鋅稀磁性半導體的優點..7 2.5 稀磁性半導體的磁性來源? .........7 2.6 稀磁性半導體待解決的問題........ 8 2.7 氧化鋅的性質.................... 9 2.8 平均場理論與ab initio理論....... 10 2.9 RKKY理論簡介.................... 12 2.10 氧化物DMS系統鐵磁性來源........ 13 2.11 氧化鋅摻雜過渡元素之文獻回顧... 14 2.11 稀磁性半導體的應用............. 23 第三章 實驗分析方法與步驟 .........28 3.1 延伸X光吸收精細結構光譜 .........28 3.2 超導量子干涉儀(SQUID)........... 34 3.3 樣品成長方式與步驟.............. 36 第四章 結果與討論................... 38 4.1 TEM觀察樣品之結果............... 38 4.2 X-ray Diffraction(XRD)結果...... 41 4.3 吸收光譜(XAS)................... 46 4.4 Soft-x-ray結果 ..................56 4-5 superconducting quantum interference device (SQUID)量測結果................................ 60 4-6 以清大原科中心儀器組9SDH-II串級式加速器成長之樣品SQUID測量結果.............................. 61 第五章 結論......................... 67 參考文獻…………………………………….69 圖目錄 圖2-1 Wurtzite結構示意圖…………………………………………….10 圖2-2預測多種P型稀磁性半導體的居禮溫度……………………….11 圖2-3極化子示意圖……………….…………………………………..14 圖2-4以理論預測Mn與Co摻雜ZnO系統其載子濃度對鐵磁相穩定之相依係……………………………………………………………… 15 圖2-5 Zn1-xCoxO 薄膜Co K-edge之EXAFS經傅立葉轉換得到的RDF結果…………………………………………………………………… 17 圖2-6摻雜5%過渡金屬的氧化鋅，室溫下水平及垂直方向磁化量的比較……………………………………………………………………..17 圖2-7不同方向測量到Zn0.93Co0.07O的磁滯曲線……………………18 圖2-8 T= 5 K下樣品A(10-2 Torr)和B(70~100 Torr)之M(H)曲線…..18 圖2-9在真空與氧氣中退火之磁滯曲線………………………………19 圖2-10 (a)不同成分與不同氣體條件下之磁滯曲線………………….20 圖2-10 (b)不同溫度下測量到的磁滯曲線…………………………….20 圖2-11 在不同氣氛下退火所測量到的磁滯曲線……………………21 圖2-12(a) Zn0.95-yFe0.05CuyO(y=0~0.01)，不同Cu濃度磁性比較……22 圖2-12(b) Zn0.94Fe0.05Cu0.1O其T-M圖…………………………………22 圖2-13理論計算摻雜Co的ZnO稀磁性半導體其Co的L2,3 edge吸收光譜圖形………………………………………………………..............23 圖2-14引入稀磁性半導體的量子井結構…………………………… 24 圖2-15溫度對光極化率的影響……………………………………… 24 圖2-16 DMS場效電晶體示意圖………………………………………25 圖2-17電場對磁滯曲線的影響………………………………..………25 圖2-18 GaMnAs(10 nm)/MnO(4 nm)在不同磁場中冷卻於10 K下量測出來的磁滯曲線。(a) H=2500 Oe (b) H=-2500 Oe (c) H=0 Oe (d) Uncapped MnO………………………………………………………....26 圖3-1 X光穿過物質改變示意圖………………………………………30 圖3-2約瑟芬元件及以穿隧效應示意圖………………………………36 圖3-3(a)摻雜Co之ZnO奈米顆粒樣品成長流程圖…………………37 圖3-3(b)摻雜Co與Cu之ZnO奈米顆粒樣品成長流程圖……………37 圖4-1-1(a)放大倍率20000×ZnO□雜1% Co之TEM照片………….39 圖4-1-1(b)放大倍率100000×ZnO□雜1% Co之TEM照片………..39 圖4-1-2(a)放大倍率20000×ZnO同時□雜5% Co與1% Cu之TEM照片………………………………………………………………………..40 圖4-1-2(b)放大倍率100000×ZnO同時□雜5% Co與1% Cu之TEM照片……………………………………………………………………..40 圖4-2-1摻雜10%與5% Co之ZnO奈米顆粒XRD比較……………42 圖4-2-2摻雜5% Co與2% Cu之ZnO奈米顆粒………………………43 圖4-2-3摻雜5% Co與1% Cu之ZnO奈米顆粒………………………44 圖4-2-4摻雜5% Co與0.5% Cu之ZnO奈米顆粒.……………………44 圖4-2-5摻雜5% Co與0.2% Cu之ZnO奈米顆粒…………………….45 圖4-2-6摻雜5% Co與0.1% Cu之ZnO奈米顆粒…………………….45 圖4-2-7於摻雜5% Co的ZnO奈米顆粒中摻雜不同成分Cu之比較..46 圖4-3-1 Co3O4在Co的K-edge之吸收光譜………………………….47 圖4-3-2 Co2O3在Co的K-edge之吸收光譜………………………….47 圖4-3-3 CoO在Co的K-edge之吸收光譜……………………………48 圖4-3-4不同Co成分比例的ZnO奈米顆粒與Co氧化物於Co的K-edge之比較…………………………………………………………..48 圖4-3-5 5% Co不同成分Cu成分樣品在Co的K-edge吸收光譜比較………………………………………………………………………..49 圖4-3-6 CuO在Cu的K-edge之吸收光譜圖………………………..50 圖4-3-7 Cu2O在Cu的K-edge之吸收光譜圖……………………….50 圖4-3-8摻雜Co的ZnO奈米顆粒中額外摻雜不同比例Cu之K-edge吸收光譜………………………………………………………………..51 圖4-3-9同時摻雜Co跟Cu樣品與CoO跟Cu氧化物比較….…….52 圖4-3-10摻雜5% Co之ZnO奈米顆粒的EXAF經過傅立葉轉換到RDF結果……………………………………………………………….53 圖4-3-11摻雜5% Co與2% Cu之ZnO奈米顆粒的EXAF經過傅立葉轉換到RDF結果……………………………………………………….53 圖4-3-12 ZnO摻雜5% Co與2% Cu之吸收光譜轉換到k-space結果………………………………………………………………………..54 圖4-3-13 ZnO摻雜5% Co與1% Cu之吸收光譜轉換到k-space結果………………………………………………………………………..55 圖4-3-14 ZnO摻雜5% Co與0.5% Cu之吸收光譜轉換到k-space結果………………………………………………………………………..55 圖4-4-1摻雜5% Co之ZnO奈米顆粒其Co的L2,3 edge吸收光譜..56 圖4-4-2摻雜5% Co與2% Cu之ZnO奈米顆粒其Co的L2,3 edge吸收光譜…………………………………………………………………..56 圖4-4-3摻雜5% Co與1% Cu之ZnO奈米顆粒其Co的L2,3 edge吸收光譜…………………………………………………………………..57 圖4-4-4摻雜5% Co與0.5% Cu之ZnO奈米顆粒其Co的L2,3 edge吸收光譜…………………………………………………………………..57 圖4-4-5摻雜5% Co與0.2% Cu之ZnO奈米顆粒其Co的L2,3 edge吸收光譜…………………………………………………………………..58 圖4-4-6不同Cu比例的樣品其soft-x-ray吸收光譜L3-edge放大圖..58 圖4-4-7摻雜5% Co的ZnO奈米顆粒在左旋、右旋光下的L2,3-edge與MCD訊號……………………………………………………………60 圖4-5-1摻雜10% Co之ZnO奈米顆粒於室溫下量測磁性結果….…60 圖4-6-1佈植1×1017/cm2個Co原子未經過退火處理在溫度5 K之下所測量出的磁滯曲線…………………………………………………..62 圖4-6-2佈植1×1017/cm2個Co原子經過200 ℃退火處理在溫度5 K之下所測量出的磁滯曲線……………………………………………..62 圖4-6-3佈植1×1017/cm2個Co原子經過300 ℃退火處理在溫度5 K之下所測量出的磁滯曲線……………………………………………..63 圖4-6-4佈植1×1017/cm2個Co原子經過400 ℃退火處理在溫度5 K之下所測量出的磁滯曲線……………………………………………..64 圖4-6-5佈植1×1017/cm2個Co原子經過500 ℃退火處理在溫度5 K之下所測量出的磁滯曲線……………………………………………..65 表目錄 表4-2-1 摻雜不同成分比例Co其d-spacing比較……………………42 表4-2-2 摻雜不同比例Co其d-spacing變化…………………………43 表4-5-1未退火與不同退火溫度下磁性量測結果……………………66

    [1] 物理雙月刊, 胡裕民, 二十六卷四期 (2004)
    [2] T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert, and D. Ferrand, Science 287, 1019 (2000)
    [3] K. Sato, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L555 (2000)
    [4] M. Venkatesan, C. B. Fitzgerald, J.G. Lunney, and J.M. D. Coey, Phys. Rev. Lett. 93, 177206 (2004)
    [5] J. M. D. Coey, M. Venkatesan, and C. B. Fitzgerald, Nature Material 4,173 (2005)
    [6] H. Akai, Phys. Rev. Lett. 81, 3002 (1998)
    [7] 碩士論文, 清華大學揚智安 (2005)
    [8] T. Fukumura, Zhengwu Jin, M. Kawasaki, T. Shono, T. Hasegawa, S. Koshihara, and H. Koinuma, Appl. Phys. Lett. 78, 958 (2001)
    [9] M. A. Ruderman, and C. Kittel, Phys. Rev. 96, 99 (1954)
    [10] T. Kasuya, Prog. Theor. Phys. 16, 45 (1956)
    [11] K. Yosida, Phys. Rev. 106, 893 (1957)
    [12] K. Ueda, H. Tabata, and T. Kawai, Appl. Phys. Lett. 79, 988 (2001)
    [13] Y. M. Cho, W. K. Choo, H. Kim, D. Kim, and Y. E. Ihm, Appl. Phys. Lett. 80, 3358 (2002)
    [14] Jung H. Park, Min G. Kim, Hyun M. Jang,Sangwoo Ryu, and Young M. Kim, Appl. Phys. Lett. 84, 1338 (2003)
    [15] B. Martinez, F. Sandiumenge, L. Balcells, J. Arbiol, F. Sibieude, and C. Monty, Appl. Phys. Lett. 86, 103113 (2005)
    [16] Z. Y. Wu, F. R. Chen, J. J. Kai, W. B. Jian, and J. J. Lin, Nanotecnology 17, 5511-5518 (2006)
    [17] H. S. Hsu, J. C. A. Huang, Y. H. Huang, Y. F. Liao, M. Z. Lin, C. H. Lee, J. F. Lee, S. F. Chen, L. Y. Lai, and C. P. Liu, Appl. Phys. Lett. 88, 242507 (2006)
    [18] S-J. Han, J. W. Song, C-H. Yang, S. H. Park, J-H. Park, and Y. H. Jeong, Appl. Phya. Lett. 81, 4212 (2002)
    [19] M. Kobayashi, Y. Ishida, J. l. Hwang, T. Mizokawa, A. Fujimori, K. Mamiya, J. Okamoto, Y. Takeda, T. Okane, Y. Saitoh, Y. Muramatsu, A. Tanaka, H. Saeki, H. Tabata, and T. Kawai, Phys. Rev. B 72, 202202(2004)
    [20] Y. Ohno, D. K. Young, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno, and D. D. Awschalom, Nature 402, 790 (1999)
    [21] H. Ohno, D. Chiba, F. Matsukura, T. Omiya, E. Abe, T. Dietl, Y. Ohno, and K. Ohtani, Nature 408, 944 (2000)
    [22] K. F. Eid, M. B. Stone, K. C. Ku, O. Maksimov, P. Schiffer, and N. Samarth, Appl. Phys. Lett. 85, 1556 (2004)
    [23] 碩士論文, 清華大學黃彥衡 (2005)
    [24] 物理雙月刊科學普及選輯；從奈米到宇宙, 楊鴻昌, pp.135-150 (2005)
    [25] Zhengwu Jin, T. Fukumura, M. Kawasaki, K. Ando, H. Saito, Y. Z. Yoo, M. Murakami, Y. Matsumoto, T. Hasegawa, and H. Koinuma, Appl. Phys. Lett. 78, 3824 (2001)
    [26] 碩士論文, 清華大學郭佳佳 (2003)
    [27] J. W. Chiou, H. M. Tsai, C. W. Pao, K. P. Krishna Kumar, J. H. Chen, D. C. Ling, F. Z. Chien, W. F. Pong, M.-H. Tsai, J. J. Wu, M.-H. Yang, S. C. Liu, I.-H. Hong, C.-H. Chen, H.-J. Lin, and J. F. Lee, Appl. Phys. Lett. 90, 062103 (2007)
    [28] 博士論文, 成功大學許華書 (2006)

    無法下載圖示 全文公開日期 本全文未授權公開 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)

    QR CODE