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本论文主要利用同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS:EXAFS和XANES)技术,并结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)和超导量子干涉仪(SQUID)等实验手段,从理论和实验两方面研究了利用脉冲激光沉积法(PLD)制备的过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的结构和性能。利用XAFS和SQUID方法详细研究了在空气中退火前后的Co掺杂ZnO基稀磁半导体的局域结构和磁学性质变化特点;利用XAFS和XPS研究共掺杂Cr原子能够调控ZnO基体中Co原子分布形式的微观机理。这些研究结果为深入了解Co掺杂ZnO体系的铁磁性来源以及制备出应力分布均匀,性能良好的ZnO基稀磁半导体提供了实验和理论基础。1.O空位在Zn0.98Co0.02O稀磁半导体薄膜中扮演的角色XAFS、XRD、SQUID研究了利用脉冲激光沉积法(PLD)在Si (001)衬底上制备出的Zn0.98Co0.02O薄膜样品在空气中退火前后的局域结构和磁学性质。尽管XRD和EXAFS结果表明退火前后Zn0.98Co0.02O的长程有序和短程有序结构几乎没有发生变化,但样品的磁学性质从退火前的铁磁性转变为退火后的順磁性。而XANES的实验和理论计算结果表明,在退火后的样品中O空位几乎完全消失了,这意味着样品中的氧空位在Co掺杂ZnO体系的磁学性质中扮演了一个重要的角色。2.Cr调控Co:ZnO稀磁半导体中Co原子分布形式的机理研究我们探讨了共掺杂的Cr原子对Zn0.92Co0.08O样品中Co原子分布的影响。XAFS结果表明在样品Zn0.92Co0.08O中、Co原子以替代位和Co团簇两种形式存在。而在掺杂了Cr原子之后,Co团簇消失,样品中的所有Co原子都是以替代位形式存在。这表明了通过Cr掺杂能有效调控Co原子在ZnO基体中的分布形式。基于XANES和XPS的实验和理论计算结果表明,掺杂的Cr原子是以+3价的Cr离子替代了ZnO中的Zn原子,而第一性原理计算进一步表明,替代位Cr3+离子在ZnO的带隙中引入了一个施主能级。Cr3+引入的施主能级与替代位Co离子之间的电子转移,使得Co离子偏离电中性。因此,Co离子之间的库仑相互排斥作用终止了Co离子在ZnO中的自旋化分解效应,进而阻止了Co团簇的形成,使更多的Co2+离子进入ZnO的晶格形成良好的替代位结构。