钴掺杂ZnO纳米晶：一种稀释磁性半导体的制备与研究

"本文介绍了采用化学共沉淀法合成稀释磁性半导体Zn1-xCoxO纳米晶的过程和研究成果。" 在2006年的这篇自然科学论文中，研究者尤逢永、毕红和周小丽通过化学共沉淀法成功合成了稀释磁性半导体Zn1-xCoxO系列纳米晶，这里的x值范围为0.01至0.42。这种合成方法涉及到钴离子(Co)的掺杂，它们被掺入到氧化锌(ZnO)的晶格中，替代了部分锌离子的位置。X-射线衍射(XRD)和红外光谱分析证实了这一过程，表明钴离子确实改变了材料的晶体结构。 关键发现是，当钴的掺杂浓度x小于或等于0.12时，这些样品表现出显著的室温铁磁性。这一特性对于稀释磁性半导体材料来说非常独特，因为通常这类材料需要低温才能展现出磁性。这一发现对于发展新型的量子器件和自旋电子学应用具有重大意义，因为它们可以利用材料的电子荷电性和自旋特性。 研究还探讨了合成过程中的不同参数对Zn1-xCoxO磁性能的影响。这包括反应液的pH值、钴的掺入量以及沉淀物的生成情况。通过对这些变量的控制，可以优化材料的磁性性能。尽管论文没有详细阐述具体的实验结果和机理分析，但可以推断，这些因素可能通过改变钴离子在晶格中的分布和相互作用来影响材料的磁性。 论文指出，稀释磁性半导体（DMS）是一类具有半导体特性和铁磁有序性的材料，对于开发新型电子设备尤其重要。Mn掺杂的GaAs是DMS研究的早期例子，而近年来，氧化物半导体，尤其是氧化锌基DMS，因其原料丰富和高激发子束缚能而受到广泛关注。理论研究表明，像ZnO这样的宽带隙半导体有可能在室温或更高的温度下展示出由载流子引起的铁磁性。例如，Sato等人和Dietl等人的计算预测了过渡金属掺杂ZnO的铁磁性行为，而Ueda等人的实验验证了这一理论，他们在脉冲激光沉积法制备的ZnO薄膜中观察到了室温铁磁性，特别是在掺Co的样品中。 此外，文献中提到了其他报道的氧化物基DMS，如(Ti, Co)O2和(Sn, Co)O2，它们也在室温下显示出铁磁性，暗示了氧化锌基DMS之外的研究方向。这项工作不仅展示了Zn1-xCoxO纳米晶的制备技术，还揭示了其潜在的室温铁磁性，为进一步研究和优化DMS材料提供了基础。