● 摘要
自旋电子学的兴起使稀磁性半导体（Diluted Magnetic Semiconductors ，DMSs）材料成为凝聚态物理的前沿研究热点之一。自旋电子学器件同时利用了电子的电荷与自旋两个自由度，可以制备许多具有奇特磁光效应的器件，制备室温稀磁性半导体是实现半导体自旋电子学器件应用的先决条件。目前，稀磁性半导体的磁性起源和实验结果的解释还存在着广泛的争议。本文在实验基础上研究了非磁性金属元素Cu掺杂的ZnO的室温铁磁性，通过控制体系载流子和缺陷的数量分析了Cu:ZnO纳米粉末室温铁磁性的来源。采用溶胶-凝胶法制备了系列Cu掺杂的ZnO和Al、Cu共掺杂的ZnO纳米粉末， 通过XRD，TEM，ESR和VSM等实验测量，发现样品的结构仍然为六角纤锌矿结构，纳米颗粒尺寸均匀，结晶良好。随着Cu掺杂量的增大，样品的饱和磁化强度增大。 当掺杂量超过了Cu在ZnO中的固溶度之后，样品的磁性下降。在晶格中单位Cu原子的磁矩随掺杂量的增大而减小。分析表明Cu在Cu:ZnO体系中大部分以Cu2+的形式存在，它的3d电子形成的受主杂质能带与ZnO晶格中的缺陷电子所形成的施主杂质能带在费米面附近发生交换作用，导致了体系的室温铁磁性。此外，n型载流子的引入将减少体系中Cu2+的数量，使体系的磁性下降。