稀磁半导体Cr掺杂CdS纳米结构及磁性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0095

摘要/Abstract

摘要：

针对稀磁半导体纳米材料在电子元器件、半导体芯片、集成电路有广泛的应用，基于溶剂热法，在180 ℃下，以CdO、S粉和六水合氯化铬（CrCl₃·6H₂O）为原料，乙醇胺、乙二胺为有机溶剂，用溶剂热法合成具有室温铁磁性Cr掺杂CdS纳米结构的稀磁半导体。采用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、电子能量散射谱（EDS）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、超导磁体振动样品磁强计（VSM）检测产物的晶体结构、形貌、光学性质及磁学性能。结果表明，Cr掺杂的CdS纳米结构具有纤锌矿结构，Cd₁_-x Cr _x S（x=3.94%）纳米颗粒具有规则形貌，颗粒直径为30~40 nm。合成产物由Cr、Cd和S 3种元素构成，Cr掺杂CdS纳米颗粒物质的量分数最高达到7.16%。在室温下，Cr掺杂CdS产生强铁磁性能，然而未掺杂的CdS则产生出较弱铁磁性能，Cd₁_-x Cr _x S（x=3.94%）纳米颗粒饱和磁化强度M_s为9.258×10^-6 A·m²/g，H_c矫顽力为73.25 Oe（1 Oe=10³/4π A/m）。Cr掺杂CdS铁磁性增强与CdS晶格中Cr掺杂产生结构缺陷有关，Cr掺杂CdS铁磁性的起源归因于双交换机制。

关键词: Cr掺杂CdS, 纳米结构, 铁磁性, 溶剂热

Abstract:

In response to the widespread application of dilute magnetic semiconductor nanomaterials in electronic components，semiconductor chips，integrated circuits，and other fields，based on solvent thermal method，a dilute magnetic semiconductor with room temperature ferromagnetic Cr-doped CdS nanostructures was synthesized by solvothermal method using CdO，S powder，hexahydrate chromium chloride（CrCl₃·6H₂O） as raw materials，ethanolamine，and ethylenediamine as organic solvents at 180 ℃.The crystal structure，morphology，optical properties，and magnetic properties of the samples were detected using X-ray diffraction（XRD），transmission electron microscopy（TEM），electron energy scattering spectroscopy（EDS），ultraviolet visible absorption spectroscopy（UV-Vis），and superconducting magnet vibration sample magnetometer（VSM）.The results indicated that Cr-doped CdS nanostructures had a wurtzite structure，and the average particle size of Cd_1-_x Cr _x S（x=3.94%） nanoparticles with regular morphology in the range of 30~40 nm.The synthetic product，composed of Cr，Cd，and S，was observed，the highest content of Cr-doped CdS nanoparticles was 7.16%（Cr atomic）.At room temperature，Cr-doped CdS produced enhanced ferromagnetism，while undoped CdS produced weak ferromagnetism.The saturation magnetization $M s$ of the Cd₁_-x Cr _x S（x=3.94%） nanoparticles was 9.258×10^-6A·m²/g，and the coercivity of $H c$ was 73.25 Oe（1 Oe=10³/4π A/m）.The ferromagnetic origin of Cr-doped CdS was related to the structural defects generated by Cr doping in the CdS lattice.The ferromagnetic origin of Cr-doped CdS was related to the structural defects generated by Cr doping in the CdS lattice，the origin of Cr-doped CdS ferromagnetism was attributed to the double exchange mechanism.

Key words: Cr-doped CdS, nanostructure, ferromagnetism, solvothermal

中图分类号:

TQ136.1

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图/表 7

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