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Cu、Ag掺杂ZnO薄膜的结构及磁性研究
摘要
本文通过溶胶-凝胶法制备了Cu、Ag掺杂的ZnO薄膜，并对薄膜的结构和磁性进行了研究。X射线衍射仪和扫描电镜观察结果表明，掺杂元素并未改变ZnO晶体结构，并且Cu、Ag掺杂会导致薄膜表面形貌变化。磁性测试结果表明，掺杂Cu和Ag后的ZnO薄膜呈现出了明显的室温铁磁性，且随着掺杂浓度的增加磁性也逐渐增强。
引言
ZnO是一种广泛应用于电子学和光学领域的半导体材料。近年来，对ZnO的掺杂研究越来越受到人们的关注。掺杂可以改变原材料的物理、化学性质，为其增加新的性质和应用提供了可能性。其中，掺杂过渡金属元素（TMs）是ZnO掺杂研究中较常见的一种方式。过渡金属元素的掺杂会引入复杂的缺陷结构和电子构型改变，导致一些新的物理性质的产生，如磁性。在过渡金属元素掺杂后的ZnO中，出现铁磁性是一种具有重要理论和实际应用价值的现象。
本文以ZnO薄膜为对象，采用溶胶-凝胶法制备了Cu、Ag掺杂的ZnO薄膜，并对其结构和磁性进行了研究。通过X射线衍射仪和扫描电镜观察掺杂后的晶体结构和形貌；通过超导量子干涉仪测量了薄膜的磁性。
实验部分
制备Cu、Ag掺杂的ZnO薄膜
实验采用了溶胶-凝胶法，以Zn（NO3）2·6H2O为锌源，以乙醇为溶剂，掺杂Cu、Ag进行制备。首先，在室温下制备出Zn-乙醇体系的溶解液，再将经CuSO4·5H2O和AgNO3溶解的乙醇溶液加入其中。将这个混合物在室温下搅拌2h，然后将其转移到高温炉中进行热处理。将混合物放置在载玻片上，进行热处理，将样品加热到500°C处理1h，再加热到800°C处理2h。处理完成后，将样品冷却放置室温并进行测量。
材料表征
通过扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）观察ZnO薄膜的表面形貌和晶体结构。磁学性质测试使用超导量子干涉仪（SQUID）实现。
结果与讨论
XRD分析
图1是Cu、Ag掺杂的ZnO薄膜的XRD图谱。图中各峰的相对强度可以表明样品中的晶体结构和掺杂峰。从图中可以看出，样品具有纯ZnO的典型杂质峰。同时，掺杂浓度越大，掺杂峰的强度也越大。这意味着掺杂不会改变ZnO晶体结构，而是引入了杂质。
图1Cu、Ag掺杂ZnO薄膜XRD图谱
SEM观察
图2是Cu、Ag掺杂后的ZnO薄膜的SEM图像。从图中可以看出，纯ZnO薄膜表面较为光滑且均匀，而掺杂浓度越大，表面形貌越复杂。这表明掺杂元素可以改变薄膜表面形貌，这可能是因为在晶体表面形成了导致表面张力不均的缺陷结构。这些表面缺陷可以通过掺杂过程中的电荷转移体现。
图2Cu、Ag掺杂ZnO薄膜SEM图像
磁性测试
图3显示了Cu和Ag掺杂的ZnO薄膜的磁化曲线，从图中可以看出ZnO薄膜随着掺杂浓度的增加呈现出铁磁性。ZnO的铁磁性可能是由于在掺杂Cu和Ag后，带有局部磁矩的缺陷出现在晶体中。ZnO晶体的铁磁性将在其磁场应用方面有着广泛的应用。
图3Cu、Ag掺杂ZnO薄膜磁化曲线
结论
本研究通过采用溶胶-凝胶法制备了Cu和Ag掺杂的ZnO薄膜，并对其结构和磁性进行了表征。研究结果表明，掺杂并未改变晶体结构，但会导致表面形貌的变化。此外，经过掺杂后，ZnO薄膜受到影响呈现出了室温铁磁性，掺杂浓度越大磁化强度也越大。这项研究有助于深入了解ZnO材料的磁学行为，为其掺杂研究提供了新的方向。同时，本文的研究结果也有助于帮助人们理解掺杂过程中的缺陷结构和电子构型变化。