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摘要

过渡族元素掺杂ZnO生成稀磁半导体, 成为近期国际材料科学研究的热点. 在本文中, 研究Fe离子注入ZnO单晶的结构和磁性变化, 目标是建立磁性和结构的对应关系, 澄清铁磁性的来源. 采用卢瑟福背散射/沟道技术 (RBS/Channelling)、同步辐射X射线衍射 (SR-XRD)和超导量子干涉仪 (SQUID), 研究注入温度和退火对样品的晶格损伤、结构及磁性的影响. 研究表明: 样品注入区损伤随注入温度升高而降低; 低温253 K注入样品中, SR-XRD未检测到新相, Fe离子分布于Zn位, ZnO (0002) 峰右侧肩峰可能属于Zn1-xFexO, 5 K下测试样品不具有铁磁性; 623 K注入和823 K真空退火 (253 K注入) 样品中形成和相金属Fe, 5 K下样品具有明显的剩磁和矫顽力, 零场冷却和场冷却 (ZFC/FC) 曲线和300 K下的磁滞回线显示纳米Fe颗粒具有超顺磁性. Fe离子注入ZnO的磁性源于第二相-Fe和-Fe.

关键词:

Abstract

Due to its potential application to diluted magnetic oxides, transition metal doped ZnO has been under intensive investigation. We present a correlation between the structural and the magnetic properties of Fe implanted ZnO bulk crystals. Crystalline damage recovery, structural and magnetic properties are studied by Rutherford backscattering spectrometry and channelling (RBS/C), synchrotron radiation X-ray diffraction (SR-XRD), and superconducting quantum interference device magnetometer (SQUID), respectively. The 623 K Fe ion implantation and the high vacuum annealing at 823 K lead to the formation of secondary phase -Fe and -Fe nanoparticles. The discrepancy between the zero-field cooling and the field cooling curves further indicates that Fe-implanted ZnO is superparamagnetic and the observed ferromagnetism originates from the Fe nanoparticles.

Keywords:

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基金项目:国家重点基础研究发展计划(批准号: 2010CB832904)和国家自然科学基金(批准号: 10875007,11005005)资助的课题.

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