1、半導體信息材料和器件是信息科學技術發(fā)展的先導和基礎。近年來，稀磁半導體研究的進步，喚起了人們對基于單個元件同時具有半導體的邏輯功能與磁性元件的信息存儲功能的應用希望，即在一種材料中同時應用電子電荷和自旋兩種自由度，這也激勵著人們加快尋找和設計室溫鐵磁性半導體材料的步伐。倘若能找到具有室溫鐵磁性的半導體，則必將給計算機領域帶來一場新的革命。此外，隨著能源問題和環(huán)境問題的日益嚴峻，開發(fā)新能源、節(jié)能減排、污染治理等方面的需求日益迫切。TiO2

2、由于其獨特的性能，在太陽能采集、污染物處理等方面有廣闊的應用前景。本文以光電子領域應用最廣泛的n型透明導電氧化物為研究對象，對其電子結構、摻雜特性和磁性起源展開研究，主要創(chuàng)新性成果如下：
　　由于半導體的磁性取決于磁性離子在半導體中的自旋軌道分裂大小及其磁性離子的耦合程度，首先研究了氧八面體中晶格畸變對3d6磁性離子能級的影響(以Ni摻雜TiO2和SnO2、Co摻雜In2O3的體材料和納米晶結構為例)。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變晶體結構來

3、增強磁性離子的自旋分裂程度，可以實現(xiàn)操控半導體磁性的目的。具體的結果有：(ⅰ)在摻雜濃度較低時，八面體小幅度畸變不會導致3d6離子磁能級自旋分裂，所有的研究體系中均沒有磁性；如果摻雜濃度提高，使得兩磁性離子可以處于相鄰陽離子位置，或者八面體畸變程度加大，3d6離子磁能級會發(fā)生自旋分裂，并產(chǎn)生有效磁矩。(ⅱ)氧離子空位存在于過渡族金屬氧化物時，空位產(chǎn)生局域磁矩，與3d6離子通過超交換作用耦合；氧離子空位存在于主族氧化物時，空位提供巡游電子

4、，通過改變3d6離子的電荷數(shù)而與3d6離子發(fā)生長程耦合。
　　其次，根據(jù)納米結構的化合物存在非化學配比和表面懸掛鍵的問題，這些會造成化合物呈非電中性，即存在多余的載流子。研究了一個非化學配比的氧化銦量子點中表面懸掛鍵波函數(shù)特性。研究發(fā)現(xiàn)：納米結構中表面懸掛鍵態(tài)密度的自旋分裂是誘導納米結構非傳統(tǒng)磁性的主要原因之一，這為調控半導體磁性增加了新的手段。采用帶分數(shù)個電子的贗氫原子來飽和納米結構的表面態(tài)，使體系保持電中性，很好地模擬了材料一

5、般不會帶電的實驗結果。氧離子表面懸掛鍵態(tài)主要分布在價帶頂?shù)倪吘墸喈斢跍\的受主能級提供空穴，作自旋計算時，會產(chǎn)生較大的自旋極化；銦離子表面懸掛鍵電子態(tài)主要分布在略低于導帶底的帶隙中，相當于淺施主能級提供電子，與導帶邊發(fā)生自旋耦合。當用贗氫原子將表面懸掛鍵完全鈍化后，帶隙里面的局域表面態(tài)和自旋極化態(tài)就消失了。
　　再次，以Ni摻雜金紅石結構SnO2納米線為例，綜合考察了晶格畸變和表面懸掛鍵的作用，明確了對半導體磁性進行綜合調控的效果

6、。研究表明：相對于非化學配比的氧化銦納米晶結構，表面畸變程度小的單晶金紅石結構的SnO2納米線的自旋分裂能要小得多。3d6離子摻雜沒有懸掛鍵的SnO2納米線不能帶來自旋極化，當存在懸掛鍵時，陽離子和陰離子表面懸掛鍵分別起到施主和受主能級的作用，使得帶隙中的3d6離子能級出現(xiàn)部分占據(jù)態(tài)，而產(chǎn)生自旋極化。陽離子懸掛鍵電子態(tài)比陰離子懸掛鍵電子態(tài)對3d6離子摻雜SnO2納米線的自旋極化作用更大，當陽離子懸掛鍵與3d6離子的比值為3:2時，3d6

7、離子摻雜SnO2納米結構具有最大的磁矩。
　　最后，基于鈍化摻雜思想，提出了鈍化原理在提高TiO2的光催化效率和加強半導體磁性方面的應用。研究表明：(ⅰ)鈍化共摻雜能夠提高TiO2的光催化效率。這是由于通過此方法可以鈍化施主-受主復合體，使得光生電流不會被受主能級中的空穴復合。其中，C和W共同摻雜到TiO2體材料中使得價帶邊往上移動，而導帶邊幾乎沒有移動，TiO2的能隙也降低到約為2.2 eV，最有利于TiO2光催化系統(tǒng)吸收可見光

8、。(ⅱ)鈍化共摻雜方法使得TiO2的p型摻雜成為可能。這是由于TiO2的價帶邊較低，很難進行p型摻雜，用第Ⅳ主族和第Ⅵ副族元素鈍化共摻到TiO2中不僅能夠大幅度的提高價帶邊，而且也在一定程度上使導帶邊往上移動。(ⅲ)鈍化群摻雜還可以加強半導體自旋極化。采用N離子替代TiO2中的O離子，可以得到1個空穴，并產(chǎn)生約為0.7μB的磁矩，費米能級高于價帶頂，空穴能級局域在費米能級附近。但通過鈍化群摻雜后，費米能級進一步遠離價帶頂，空位能級變得更