ZnO中的Fe掺杂剂：2+与3+价态及离子-载流子s,p-d交换相互作用
材料科学
2016-12-21 v2
摘要
II-VI族半导体中过渡金属离子的掺杂剂呈现本征2+价态。尽管如此，先前有报道称ZnO中铁离子存在3+或混合3+/2+价态。迄今为止，对此现象已提出几种相互矛盾的解释机制。本文通过互补的理论与实验研究分析了ZnO中Fe的价态。我们在广义梯度近似(GGA+U)下的计算表明，Fe离子是相对浅的施主。在理想ZnO中其稳定电荷态为Fe2+，然而，(+/0)跃迁能级的高能量增强了真实样品中非有意受主对Fe2+向Fe3+的补偿。利用电子顺磁共振、磁强计测量、电导率、激子磁圆二色性和磁光致发光等多种实验方法，我们确认了在多晶(Zn,Fe)O薄膜中（Fe含量达0.2%）铁离子为3+价态。我们发现Fe掺杂后n型电导率按预期增加，Fe施主电离能为0.25 ± 0.02 eV，与理论考虑结果一致。此外，我们的磁光测量证实了ZnO中能带载流子与局域化的Fe3+离子磁矩之间存在计算所得的非零s,p-d交换相互作用，这一直以来是个未解决的问题。
引用
@article{arxiv.1603.01123,
title = {Fe dopant in ZnO: 2+ vs 3+ valency and ion-carrier s,p-d exchange interaction},
author = {J. Papierska and A. Ciechan and P. Bogusławski and M. Boshta and M. M. Gomaa and E. Chikoidze and Y. Dumont and A. Drabińska and H. Przybylińska and A. Gardias and J. Szczytko and A. Twardowski and M. Tokarczyk and G. Kowalski and B. Witkowski and K. Sawicki and W. Pacuski and M. Nawrocki and J. Suffczyński},
journal= {arXiv preprint arXiv:1603.01123},
year = {2016}
}
备注
17 pages, 10 figures