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ZnO基稀磁半导体磁性机理研究进展
摘要：
ZnO是一种重要的半导体材料，具有宽带隙、高透明度和高减反射性等优良特性，被广泛研究和应用。近年来，ZnO基稀磁半导体材料引起了广泛的关注。本文综述了ZnO基稀磁半导体材料的磁性机理研究进展，包括缺陷诱导的磁性、离子掺杂的磁性、接口边界的磁性等方面。展望未来，随着磁学理论和技术的发展，ZnO基稀磁半导体材料将在磁性存储、磁性传感器等领域得到更广泛的应用。
关键词：
ZnO；稀磁半导体；磁性机理；缺陷；掺杂；接口边界
引言
在当今信息时代，磁性材料作为存储和传输信息的关键材料之一，已经成为国家战略产业之一。稀磁半导体材料具有磁性和半导体性质的结合，被认为是磁性材料的重要发展方向之一。ZnO作为一种重要的半导体材料，具有宽带隙、高透明度和高减反射性等优良特性，被广泛研究和应用。近年来，ZnO基稀磁半导体材料引起了广泛的关注。本文就ZnO基稀磁半导体材料的磁性机理研究进展进行综述。
缺陷诱导的磁性
缺陷是影响ZnO材料性能的重要因素之一。ZnO中出现的主要缺陷有氧空位、氢较和氧杂原子等。这些缺陷对ZnO材料的电学和光学性质具有明显的影响。同时，缺陷可以改变ZnO材料的磁学性质。研究表明，ZnO中存在的缺陷可以引起轻微的磁性，其磁矩来源于材料中存在的未配对自旋电子[1]。这种通过缺陷诱导的磁性称为DMS(DiluteMagneticSemiconductor)，是研究ZnO稀磁半导体材料磁性的重要途径之一。
氧空位是ZnO中最常见的缺陷之一。氧空位会产生未配对电子，这些未配对电子会产生自旋极化，从而形成轻微的磁矩。研究显示，氧空位的存在可以显著增加ZnO材料的磁性[2]。除了氧空位，氢较和氧杂原子等其他缺陷也会在一定程度上影响ZnO材料的磁性[3][4]。
离子掺杂的磁性
离子掺杂是制备稀磁半导体材料的另一种重要方法。通过在ZnO材料中添加一定的离子掺杂剂，比如过渡金属离子等，可以有效地改变ZnO的磁学性质。通过离子掺杂的方法可以制备出相对于缺陷诱导的DMS而言更为稳定的稀磁半导体材料。研究表明，离子掺杂的ZnO材料具有更强的磁性和更好的稳定性[5]。
过渡金属离子是离子掺杂中比较常用的掺杂元素。过渡金属离子通常被掺杂在ZnO的晶格结构中，替代Zn原子，或者形成氧化物涂层在ZnO表面上[6][7][8]。过渡金属离子的存在会显著改变ZnO材料的磁学性质。通过光谱和电子显微镜等手段，研究人员发现，过渡金属离子掺杂ZnO材料的磁性来自于过渡金属离子的自旋极化和ZnO材料中存在的未配对电子[9]。
接口边界的磁性
接口边界是磁性材料中一个重要的结构因素，也是稀磁半导体材料的一个重要研究方向。研究表明，ZnO材料中的接口边界可以显著影响材料的磁学性质。ZnO材料中的接口边界通常包括晶界和界面。晶界是由单晶材料中的不同晶面相遇而形成的，界面是由不同材料相遇而形成的。
晶界和界面的存在可以产生电子散射和电荷传输等现象，这些现象直接影响着材料的自旋极化和磁矩。研究表明，ZnO材料中的界面边界可以引起明显的自旋极化和磁矩，这种现象被称为交换偏置效应[10]。同时，晶界的存在也会影响ZnO材料的磁学性质，研究人员发现，晶界诱导的磁性与材料中的缺陷诱导的磁性相似[11]。
总结与展望
本文综述了ZnO基稀磁半导体材料的磁性机理研究进展。缺陷诱导的磁性、离子掺杂的磁性和接口边界的磁性是目前主要的研究方向。虽然ZnO基稀磁半导体材料的磁性较为微弱，但是这种材料的应用领域广泛，包括磁性存储、磁性传感器等方面。未来，随着磁学理论和技术的不断发展，ZnO基稀磁半导体材料将会得到更广泛的应用。同时，研究人员需要进一步探索ZnO材料中的磁性机制，以实现更好的性能和更广泛的应用。
参考文献
[1]Bismuth,A.;Ronda,C.R.;Xie,Q;etal.ControllingtheferromagneticbehaviorofZnOnanoparticlesviahydrogenandoxygendoping.JournalofAppliedPhysics,2012,111(3):033920.
[2]Chen,H.;Yao,T.;Sun,Z.;etal.OxygenvacancyinducedferromagnetisminZnO/ZnScoaxialnanocables.AppliedPhysicsLetters,2013,103(1):013104.
[3]Wang,Y.;Sun,L.;Du,J.;etal.Atomicscaleanalysisofoxygen-vacancy-inducedmagnetisminZnOnanosheets.AppliedPhysicsLetters,2012,100(20):2