毕业设计纤锌矿结构氧化锌ZnO设计.docx
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毕业设计纤锌矿结构氧化锌ZnO设计
摘要
纤锌矿结构氧化锌（ZnO）是一种宽禁带的直接带隙氧化物半导体材料，它具有低介电常数、大光电耦合系数、高化学稳定性、高的激子结合能以及优良的光学、电学及压电特性等，因此在许多方面有着潜在的使用价值，可广泛的应用于太阳能电池、压电薄膜、光电器件、气敏器件和紫外探测器等方面。
对于ZnO材料的研究，我们已经取得了很大的成就，但是这些研究主要是集中于其材料的实验制备、功能和电子结构等理论工作。
近年来，过渡金属掺杂ZnO等稀磁半导体材料成为了人们的研究方向，激起了人们的研究欲望。
通过对氧化锌进行过渡金属的掺杂，能改变它的特性，同时也具有铁电性，所以成为了集成光电器件中一种极具潜力的材料。
关键词：
1绪论
1.1引言
当前，人类社会已经进入了一个全新的信息化时代，信息的传输、处理、存储等过程都是通过电子和光子来参与实现的，光电子在信息技术领域中起到了举足轻重的作用。
上个世纪，人们制备出了红外发光二极管LED和LD，实现了光通信和光信息处理。
随着社会经济的快速发展，人们对于信息技术的要求也越来越高，一直在不断的研究中寻求新的技术。
最近，ZnO材料由于其优越的性能引起了人们的研究热情。
氧化锌（ZnO）作为一种新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料，具有禁带宽度大（约3.37
），相比与其他的宽带隙材料，其激子束缚能高达60
，这使得ZnO在室温下有更高效率的机子发光，是一种在紫外和蓝光发射方面很有前途的新型光电子材料。
ZnO材料的出现，让人们意识到了这种半导体材料在制备短波长发光器件中的研究潜力。
1.2掺杂氧化锌的研究背景
自从20世纪初透明导电氧化物（TCO）被发现，人们便开始在各种衬底沉积该种薄膜以使其用途多样化，现已在太阳能电池、液晶显示器、气体传感器、紫外半导体激光器以及透明导电薄膜等方面具有广泛的应用。
通过各种不同的掺杂，氧化锌（ZnO）能具有很好的光电性能，是光电器件极具潜力的材料.。
例如：
掺Li的ZnO具有铁电性，可以开发为铁电器件；掺Al、In的ZnO薄膜导电性好，透过率高，可以用于平板显示器和太阳能电池的透明电极；掺Li、Mg具有很好的光电性质，现已广泛用于光电开关等光电器件。
现在对掺杂ZnO薄膜的结构、光学、电学和磁学性质的研究成为国际热点之一。
目前Mg摻杂ZnO薄膜作为一种新兴的光电材料，引起了人们的浓厚兴趣,通过改变Mg的含量可使禁带宽度从3.2～7.8
连续可调，从而可以制得覆盖从蓝光到紫外广谱区域的半导体激光器，带隙连续可调性可以用来作为ZnO/Mg摻杂ZnO半导体量子阱及超晶格等结构的势垒层。
因此，对Mg掺杂ZnO薄膜的制备和性质研究是一项很有意义的课题。
近年来，通过理论计算我们已经预言了Mg摻杂的P型ZnO的居里温度高达300K以上，同时显示出铁磁性，因此很多研究者都对Mg摻杂的ZnO产生了浓厚的兴趣，认为它是一种很有前景的稀磁半导体材料（稀磁半导体是自旋电子学领域一个重要的研究内容，稀磁半导体（dilutedmagneticsemiconductor，简称DMS）又称半磁半导体，是指由磁性过渡金属离子和稀土金属离子部分替代非磁性阳离子后形成的一类半导体材料）在自旋电子学方面有着重要的应用。
Dietl等理论计算了各种稀磁半导体材料的居里温度，结果表明在具有宽禁带的氧化物半导体ZnO中掺入磁性离子后，可能制备出具有室温磁性的稀磁半导体；Sato等通过第一性原理计算，证明了过渡金属元素（Mn，V，Cr，Fe，Co，Ni）掺入ZnO中，其磁矩表现为铁磁有序。
ZnO基材料中的铁磁行为意味着可能制备出新型ZnO透明铁磁性材料，在微电子技术领域将具有广阔的应用前景，已成为当今材料科学研究中的一个热点。
1.3本论文的研究内容
ZnO薄膜是直接带隙半导体，具有很好的光电性质，对紫外光有较为强烈的吸收，在可见光区，光透过率接近90%。
ZnO薄膜的光电特性与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶密度相关，在适当的制备条件及掺杂条件下，ZnO薄膜表现出很好的低阻特征。
另外，Mn掺杂后对ZnO薄膜的光学、电学等性能有显著影响，而Mn等过渡族金属掺杂ZnO薄膜有望制备出稀磁半导体，并有可能成为新一代信息存储的载体。
所以本课题针对Mn掺杂ZnO薄膜进行理论分析，主要从理论上分析、归纳Mn掺杂对ZnO薄膜的晶格结构、表面形貌、光学性能、铁磁性能等的影响。
主要包括以下几个方面：
一、ZnO的研究背景以及掺杂ZnO的研究背景，研究意义。
二、ZnO的晶格结构、能带结构、密度分布图、基本性能研究以及应用，ZnO缺陷分类、作用，以及掺杂的基本方法，ZnO的形态结构，ZnO薄膜的应用。
三、稀磁半导体的定义、晶格结构、分类、性质、应用，研究历史，以及稀磁半导体的制备方法、研究意义。
四、掺杂ZnO的研究进展，不同离子掺杂对其薄膜的影响。
五、Mn掺杂ZnO薄膜的晶格结构、表面形貌特征，室温铁磁性研究，以及研究其的理论基础——密度泛函理论，不同退火温度对铁磁性的影响；不同含量的掺杂对其吸收光谱的影响，透射谱的研究以及发光性质等性质的研究。
2氧化锌概述
氧化锌（化学式ZnO）为Ⅱ-Ⅵ族化合物，是一种传统的具有压电和光电特性的宽禁带直接带隙半导体材料，具有多种不同的形态结构，在光电、压电、热电和铁电等诸多领域都有其独特的性能，特别是在光电领域，具有十分广阔的应用前景和发展潜力。
2.1ZnO的结构
2.1.1ZnO的晶体结构
ZnO晶体有三种结构：
六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构，以及比较罕见的氯化钠式八面体结构（岩盐结构），如图所示。
ZnO的三种晶体结构：
（a）岩盐结构；（b）闪锌矿结构；（c）纤锌矿结构
在这三种晶体结构中，纤锌矿结构在三者中稳定性最高，因而也是最常见的。
立方闪锌矿结构可由逐渐在表面生成氧化锌的方式获得。
在两种晶体中，每个锌或氧原子都与相邻原子组成以其为中心的正四面体结构，然而，八面体结构只有在100亿帕斯卡的高压条件下才能被观察到。
纤锌矿结构、闪锌矿结构有中心对称性，但都没有轴对称性。
晶体的对称性质使得纤锌矿结构具有压电效应和焦热点效应，闪锌矿结构具有压电效应。
理想的ZnO具有纤锌矿结构，六方对称性，在许多生长条件下，表现为n型。
其晶格常数实验值a=b=0.325
c=0.521
α=β=90°,γ=120°，其中c/a为1.602,比理想的六角柱紧堆积结构的1.633稍小。
c轴方向的Zn-O键键长为0.1992
，其他方向的Zn-O键键长为0.1973
，Zn的六角密堆积和O的六角密堆积在c轴方向反向嵌套，Zn原子位于四个相邻O原子形成的四面体间隙中，O原子的排列与Zn相似，如下图所示：
纤锌矿ZnO结构示意图
2.1.2ZnO的能带结构
能带理论可以很清晰地解释半导体的能带结构，根据能带理论，半导体材料可以分为直接带隙半导体和间接带隙半导体，通常把导带底和价带顶处于k空间同一点的半导体称为直接带隙半导体，把导带底和价带顶处于k空间不同点的半导体称为间接带隙半导体，如图示：
半导体的能带结构
ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料，由于六方纤锌矿结构的对称性较低，其能带结构比较复杂。
纤锌矿结构ZnO晶体的能带结构、总体态密度和分波态密度如下图所示。
从能带图中我们可以看出，ZnO的价带基本上可以分为两个区域，即-6.0—-4.0eV的下价带、-4.0—0eV的上价带区。
从总体态密度和分波态密度中我们可以看出，ZnO上价带区主要是由O2p态形成的；而下价带区则主要是Zn3d态贡献的。
对于导带部分，其主要来源于Zn4s态的贡献，且电子具有明显的从Zn4s态到O2p态的跃迁过程，引起氧位置处的局域态密度的引力中心向低能级方向移动，表明理想ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。
纤锌矿氧化锌的能带结构
ZnO总态密度图和分波态密度图
Zn和O分波态密度图
2.2ZnO的基本特性及应用
ZnO作为直接宽禁带半导体材料，具有很高的激子束缚能（60
），能够实现室温高紫外发光。
ZnO粉末呈白色，俗称“锌白”，其分子量为81.39，密度为5.606g/
，无毒、无臭、无味，系两性氧化物，能溶于酸、碱以及氨水等溶液，不溶于水、醇和苯等有机溶剂。
熔点为1975℃，加热到1800℃升华而不分解，ZnO的基本参数如表1.1所示。
表1.1ZnO的基本性能参数
室温下，ZnO的禁带宽度为3.37
，激子束缚能高达60
，比室温热离化能大很多，激子不易发生热离化，大大降低了室温下的激射阈值。
由于这些特性，ZnO更适合于在室温或更高温度下实现高功率的激光发射，具有很大的应用前景。
另外，ZnO化学稳定性好，易于实现掺杂，对环境无毒无害，对衬底也没有苛刻的要求，这些优点使得它成为一种很有前途的紫外光电子器件材料，极具开发和使用价值。
另外，ZnO还具有高得光学折射率，在可见光波段有很高的透射率，可达百分之九十以上，掺杂Al、Ga、In等元素的薄膜还具有优良的导电性能，并且在氢等离子气氛处理中有较高的热稳定性和化学稳定性，因而它是一种很好的透明导电氧化物材料。
同时，ZnO具有Zn极面和O极面，这种非中心对称的结构，使得ZnO具有压电特性和较高的机电耦合系数。
可以说ZnO是一种优良的压电材料，它不仅压电性强，而且具有稳定的化学性质、耐热、电阻率大和容易制备得到高质量的薄膜等特点。
ZnO在光电、压电、热电和铁电等诸多领域都有其独特的性能。
利用ZnO薄膜直接禁带和对紫外光较大的光响应特性，可以制备紫外光探测器；ZnO薄膜是透明的导电薄膜，在可见光波长范围内的透射率可达90%以上，是太阳能电池的透明电极和窗口材料；ZnO薄膜具有良好的压电性能用作压电换能器和表面声波器件等，有很高的机电耦合系数。
ZnO作为一种宽禁带半导体材料，最大的用途在于短波长半导体激光器。
下图（6）是ZnO薄膜典型的光致发电（PL）谱，低温下ZnO的紫外发光谱峰位置在3.36
附近，随着温度的升高，紫外辐射峰发生红移。
图（6）ZnO薄膜典型的室温PL谱
此外，ZnO原料丰富，价格便宜，可以作为GaN的替代材料应用于紫外光电器件领域。
下表是ZnO和几种宽禁带半导体材料的特性比较。
2.3ZnO材料的缺陷
实际半导体中除去与能带对应的共有化状态外，还存在着一定数目的束缚状态，它们由杂质或是缺陷引起，这些杂质和缺陷对半导体的性能特别是电学性能有着决定性的影响。
所以，ZnO的缺陷和掺杂研究，对于其开发有着及其重要的作用。
2.3.1缺陷的分类
自从认识ZnO在光电领域的潜在应用前景以来，人们就致力于研究ZnO材料中的固有缺陷，到目前为止，我们已经认识到ZnO存在着六种本征缺陷：
氧空位（
）、锌空位（
）、反位锌（
）、反位氧（
）、填隙氧（
）、填隙锌（
）。
由ZnO本身疏松的结构决定，在ZnO的所有的本征缺陷中，最容易形成的是填隙缺陷，即填隙锌、填隙氧缺陷，对晶体的性质地影响比较大。
这些本征缺陷在不同的外界条件下，其形成能有所不同，因而会影响到缺陷浓度，因为缺陷浓度与缺陷形成能存在着下面的关系：
其中
表示缺陷形成所在晶格位置的浓度，
指缺陷的形成能，
是玻尔兹曼常数，T为温度。
通过上式可知，缺陷浓度与缺陷的形成能
成负指数关系，形成能低，则平衡缺陷浓度高；形成能过高，则表示这种缺陷可能难以形成。
由此式我们可以看出，缺陷形成能对缺陷的浓度有极大影响。
下面我们进一步的对这些缺陷的电荷特性和能级情况进行分析：
填隙锌：
ZnO的结构比较疏松，电荷密度低，填隙原子容易进入。
ZnO间隙中势能较高，Zn填隙原子的价电子必然会向周围势能低的地方转移，从而形成一个正电中心。
受Zn填隙缺陷势的作用，导带能级向低能移动，进入带隙形成施主能级。
填隙锌是ZnO中最常见的本征缺陷，这就是本征ZnO通常就呈现型特性的原因。
氧空位：
晶格O原子的电子去掉后，O的电荷由-2q变为0，空位周围电荷密度发生变化。
O空位成为正电中心，具有负库仑的吸引势，往往使得氧空位V在带隙中容易形成施主能级。
锌空位：
在理想的ZnO的晶体中，位于四面体中心的Zn原子将很大一部分电荷转移到了它的4个配位的氧原子上了。
如果以中性原子的形式将Zn原子去掉中的Zn的电荷由+2q减少到0。
此时，Zn空位近邻的O原子的价电子数随之减少。
为了降低体系的能量，周围的电荷会向空位进行转移，而将会引起周围原子的极化。
Zn空位周围的电荷密度的变化表明，Zn空位是一个正电中心，具有正的库仑排斥势。
在此作用下，Zn空位Vzn在带隙中形成受主能级。
填隙氧：
填隙锌缺陷态在导带底附近产生施主能级，而填隙氧缺陷态则是在价带底附近产生受主能级。
它们的差别主要是电负性不同。
电负性小的Zn原子倾向于失去电子，电负性大的O原子倾向于得电子。
近年来，国际上对于ZnO缺陷的研究主要是通过第一性原理从头算起的方法。
2001年，Oba等采用第一原理平面波赝势的方法计算出了ZnO中本征缺陷的形成能和电子结构的关系，结果如下图所示。
P型ZnO（a）和N型ZnO（b）缺陷的形成能与原子化学势的关系
从上图中我们可以看出，在P型ZnO中，施主型缺陷形成能较低，容易形成，因而其自补偿效应很强，这也是P型ZnO难以制备的原因。
关于ZnO中的本征缺陷，虽然有着很多的争议，但是有几点我们还是可以确定的：
在所有可能的缺陷当中施主型缺陷是最为重要的：
O空位和Zn间隙都是施主型缺陷；Zn间隙的能级较浅，对于本征ZnO的n型导电起了重要的作用；Zn空位和O填隙的能级位置有待于我们的进一步讨论。
2.3.2缺陷的作用
晶体中点缺陷的存在，破坏了点阵结构，使得缺陷周围的电子能级不同于正常格位原子周围的能级，因而在禁带中造成各种局域能级。
有的局域能级位于价带顶的上边，可吸引价带中的电子，同时在价带中形成空穴。
有的局域能级位于导带底的下边，可给出电子预导带。
因此不同类型的缺陷赋予晶体以特定的光学、电学和磁学性质。
缺陷不仅影响材料的光学特性，也会影响材料的电学特性。
特别是在半导体材料中，掺杂引入的点缺陷对器件的性能起决定性作用。
比如，半导体的电学特性很大程度上受晶体缺陷控制。
很小量的电子活性掺杂元素可以使硅的电导性在n或p型中转换，每一个掺入的原子会取代原粒子，从而在硅点阵中形成点缺陷。
事实上就是这少量的杂质原子极大地改变了半导体的电子性质，从而带动了晶体管的发展，开创了整个固体元件科技先河。
因而，在微电子和光电子领域中有用的器件，如晶体管、集成电路（IC）、发光二极管（LED）和激光管（LD）等，都是靠人工控制掺杂实现的。
因此，了解杂质和缺陷态的性质无疑是重要的。
2.3.3掺杂方法
控制半导体的性质，我们可以通过在其中进行掺杂。
本征半导体中载流子数量少，导致了其很低的导电性能，但是如果加入微量的杂质，可以使其导电性能大大提高。
根据掺杂的杂质不同，我们可以将杂质半导体分为N型和P型两个大类。
目前，扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方法，下图是两种掺杂技术：
半导体掺杂技术（a）扩散;（b）离子注入
2.4ZnO的形态结构
ZnO在自然界中以矿物的形式存在，人们在研究的过程中先后制备了多种形态的ZnO材料，例如：
粉末、陶瓷材料、体单晶、薄膜和纳米结构等。
但在其研究和应用中，薄膜是最主要的形态结构。
目前ZnO光电薄膜的研究和制备，特别是P型ZnO薄膜的实现，是ZnO研究的一个热点课题。
ZnO薄膜的制备方法有很多种，各有利弊，不同的制备方法和工艺条件对薄膜结构特性和光电性质有很大的影响。
ZnO薄膜的生长技术不断发展，常见的薄膜沉积技术有磁控溅射、金属有机物化学气相沉积、激光脉冲沉积、分子束外延、原子层外延、溶胶—凝胶、热蒸发、电镀等，这些技术均可以用于制备ZnO薄膜，并且得到的薄膜晶体质量一般较为理想。
ZnO薄膜通常沿（002）方向优先生长，c轴垂直于衬底，即有择优生长取向，表1-2给出了各种生长技术的对比情况。
表1-2ZnO薄膜的各种外延生长技术
在薄膜的制备过程当中，由于衬底和薄膜材料的晶格系数不同，热膨胀系数不同等，都会在薄膜中引入缺陷。
同时，制备工艺，如生长环境、温度、时间等都会对薄膜的结构产生影响。
所以，我们在制备过程中，需要控制多种生长条件，以便得到更好的薄膜。
下图（6）是楼小波等采用sol-gel法制备的ZnO薄膜的XRD谱，可以看出，和标准的ZnO粉末样品的衍射谱相比，涂覆10层与20层的薄膜均出现了明显的与（100）、（002）和（101）晶面相对应的衍射峰，说明了样品均为六方纤锌矿结构。
图（6）不同退火温度及旋涂层数下ZnO薄膜的XRD谱
另外，ZnO纳米结构也是目前研究的主要课题之一，许多制备ZnO薄膜的技术经过独特的工业加工都可以用来制备ZnO纳米材料。
随着研究的深入，对ZnO的制备水平和性能研究也上升到了新的高度，纳米ZnO的研制成功，使得对ZnO的研究和应用不断扩展到新的领域，如下图是几种纳米ZnO的形态结构：
ZnO的几种纳米结构形态，从左至右，从上至下分别为：
量子点、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带、量子阱、纳米巢、纳米环、四角晶须
不同的结构的纳米ZnO具有许多独特的性能，这些纳米级的材料的制得使ZnO纳米光电器件应用取得更加优越的性能。
2.5ZnO薄膜的应用
ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性。
由于这些优异的性质，使得ZnO具有广泛的用途，如透明电极、表面声波器件、压敏元件、气敏元件、发光器件、紫外探测器等。
2.5.1透明导电薄膜
由于ZnO是直接带隙的宽禁带材料，禁带宽度为3.37
，紫外强烈吸收，可见光可以透过，在可见光区具有很高的透过率，可以制备透明导电薄膜。
其中掺Al的ZnO薄膜，即ZnO:
Al（AZO）薄膜，在可见光区具有很高的透过率，一般大于80%，有的甚至大于90%。
AZO薄膜具有优异的透明导电性能，与传统的ITO薄膜相比,AZO膜无毒性，价廉易得，稳定性高，正逐步成为ITO薄膜的替代材料。
ZnO薄膜的高透过率使其成为太阳能电池的透明电极和窗口的理想材料。
2.5.2压敏元件
压电性是指机械能与电能之间的转化。
当一个压电材料收到应力作用时，在材料中会产生电流，这是直接压电效应。
ZnO薄膜的压敏性质主要表现在非线性伏安特性上，ZnO压敏材料受到外加电压时，存在一个阐值电压，即压敏电压。
当外加电压高于此值时即进入击穿区，此时外加电压的微小变化会导致电流的迅速增大，变化幅度由非线性系数来表征。
ZnO压敏电阻实际上是一种伏安特性呈非线性的敏感元件，在正常电压条件下，这相当于一只小电容器，而当电路出现过电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，其工作电流增加几个数量级，从而有效地保护了电路中的其它元器件不致过压，因而，在电子电路等系统中被广泛用来稳定电流，抑制电涌及消除电火花。
2.5.3气敏元件
气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。
常用的气敏传感器主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。
由于ZnO是一种半导体材料，因而主要应用于半导体气敏传感器，利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。
ZnO薄膜放置在大气中时，其表面会吸附一定数量的氧原子。
形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值升高。
而当ZnO薄膜放入某些气体中时，吸附的氧会与这些气体发生反应，在晶界处脱附，薄膜电阻率降低，即ZnO薄膜的电导会随着表面吸附的气体种类和浓度的不同发生很大的变化。
利用上面所说的机理，ZnO薄膜可以用来制备表面型气敏器件。
2.5.4发光器件
近年来，提高光信息存储密度，短波长激光器的研发成为半导体激光器研究的一个热点。
ZnO是一种理想的短波长发光器件材料，通过与CdO、MgO组成的混晶薄膜能够得到可调的带隙（2.8-4.2
），覆盖了从红光到紫光的光谱范围，有望开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件。
而且ZnO是直接带隙半导体，能以带间直接跃迁的方式获得高效率的辐射复合。
2.5.5紫外探测器
ZnO的直接宽禁带及其优越的光电特性，使其成为紫外探测领域研究中的新热点。
目前对ZnO基紫外探测器的报道主要有四中类型:
Pn结型紫外探测器、肖特基结型紫外探测器、光电导型紫外探测器和
型探测器。
3Mn掺杂ZnO稀磁半导体
ZnO是目前最受关注的氧化物半导体材料，和ZnO传统的应用相比较，ZnO基稀磁半导体材料有着更为广泛的应用前景。
因为其兼备了电荷和自旋两个自由度，同时具有稳定性好、光透过率高、化学性能稳定，原料丰富易得、价格低廉等优点，极有可能成为新一代信息储存的载体。
另外，由于ZnO晶体是极性生长的，使得过渡金属元素很易于掺杂，可以制备性能良好的稀磁半导体，成为近年来发展的主要研究材料。
早期，人们对于稀磁半导体的研究主要集中在过渡金属离子替代阳离子的复合材料，但是由于临界温度过低，导致了其没有得到广泛应用。
很早，我们就有理论预言在过渡金属掺杂的ZnO中可能存在室温铁磁性，所以最近几年对于这个课题的研究逐步升温。
3.1稀磁半导体概述
常见的半导体材料都是不具有磁性的，一般具有磁性的材料却不具有半导体的性质，并且它们与半导体材料存在着表面势垒不能很好的相容。
半导体可以通过少量的n或是p掺杂改变其性能，由此人们想到了通过掺杂来实现半导体的磁性机制，形成了我们所要研究的稀磁半导体材料。
稀磁半导体可以在不改变传统半导体其他性质的情况下将半导体的电荷性和电子之间的自旋耦合集中于同一种材料当中，使其具有优异的磁、磁光、磁电等特性。
稀磁半导体最主要的工作是获取高的居里温度，大小适宜的磁饱和强度、剩余磁矩和轿顽场强强度。
然而，改变其掺杂元素或者掺杂状态是主要的方法，近年来引起了人们强大的研究热情。
3.1.1稀磁半导体的基本概念
稀释磁性半导体在过去的20年来一直是十分活跃的研究对象，主要原因在于它可供研究的物理内容十分丰富。
近几年来，随着自旋电子学的发展，稀磁半导体受到了越来越多的关注。
稀释磁性半导体（DilutedMagneticSemiconductors，简写为DMS）也称半磁半导体（SemimagneticSemiconductors，简写为SMSC），是指II-VI族、IV-VI族、II-V族或III-V族化合物中，由磁性过渡族金属（Mn，Fe，Co等）离子或稀土金属（Eu，Gd等）离子部分的替代非磁性阳离子，利用载流子控制技术产生磁性的一类新型功能半导体材料。
在没有外磁场的情况下，材料的性质和普通的非磁半导体相同，反之，则会出现一定的磁性。
之所以称之为稀磁半导体，是由于相对于一般的磁性半导体而言其磁性离子的含量较少。
DMSs材料具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在很多领域有着广泛的应用前景。
由于这类材料具有奇异的性质，近年来引起了国际上的广泛关注，这类材料大部分属三元化合物，也有一部分四元化合物，它所包范围非常广泛，从零带隙、窄带隙一直到宽带半导体都有涉及。
图
（1）是磁性、稀磁以及非磁性半导体的示意图，在DMS中部分阳离子被磁性阳离子所取代：
图
（1）（A）磁性半导体、（B）稀磁半导体、（C）非磁半导体
磁性离子由带箭头的圆圈表示
3.1.2稀磁半导体的晶体结构及分类
II-VI和III-V族半导体化合物一般具有闪锌矿结构，相应的稀磁半导体大部分也都是具有这种结构，少数的会随着磁性元素的增加转变成纤锌矿结构。
图
（2）给出了这两种晶体结构的示意图，其中白圆圈代表阴
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