磁控濺射制備3d過(guò)渡金屬摻雜氮化銅薄膜及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文研究了3d過(guò)渡金屬摻雜對(duì)氮化銅薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響，并重點(diǎn)關(guān)注了Mn摻雜帶來(lái)的特殊變化。然后利用釩、鉻和錳摻雜來(lái)改良氮化銅薄膜磁學(xué)性能，得到了Cr摻雜對(duì)氮化銅薄膜的磁性貢獻(xiàn)最大。最后基于錳摻雜氮化銅帶來(lái)的特殊光電特性，我們將其應(yīng)用于可見(jiàn)光探測(cè)，得到了一種基于氮化銅的新型可見(jiàn)光探測(cè)器。最后基于氮化銅薄膜在一次性光存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用，采用致密的氧化物層來(lái)改善一次性光存儲(chǔ)的容量。本文的工作主要有以下四個(gè)方面的內(nèi)容：
　　一、采用磁

2、控濺射方法制備了3d過(guò)渡金屬（Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn）摻雜氮化銅薄膜，Sc、Ti、V的摻入減少了參與反應(yīng)的Cu，偏向于富氮的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，摻入Cr、Mn、Fe金屬，它們的3d電子更多，此時(shí)摻雜氮化銅還保留著（111）峰，而Co、Ni的摻雜使得氮化銅完全保持著（111）擇優(yōu)生長(zhǎng)，并且（111峰）變得更強(qiáng)，因?yàn)镃o和Ni擁有最多的3d電子，給Cu提供電子變成離子鍵，增強(qiáng)了氮化銅成鍵能力。摻雜3d過(guò)渡金屬對(duì)氮化銅的光電

3、特性有不同的影響，總的來(lái)說(shuō)，3d電子越多的金屬摻雜使得氮化銅薄膜更加趨于導(dǎo)體性質(zhì)，帶隙減小，導(dǎo)電性變好，其中唯獨(dú)錳摻雜表現(xiàn)出異常情況，錳摻雜之后反而趨向于增加帶隙和電阻，對(duì)可見(jiàn)光的反應(yīng)更明顯。
　　二、為探索磁性過(guò)渡金屬摻雜對(duì)氮化銅薄膜磁性的影響，我們成功制備了（100）擇優(yōu)生長(zhǎng)的純的氮化銅薄膜和釩、鉻、錳摻雜氮化銅薄膜，并且從理論計(jì)算的角度分析了摻雜之后氮化銅的結(jié)構(gòu)和磁性變化。結(jié)果表明，過(guò)渡金屬摻雜之后氮化銅薄膜的晶格常數(shù)都會(huì)變

4、大，晶格膨脹，表面形貌發(fā)生了不同的變化，釩和鉻摻雜的光學(xué)帶隙從1.5 eV減小到1.22 eV，錳摻雜氮化銅薄膜的光學(xué)帶隙增加到1.56 eV，帶隙的增加可歸因于富氮的生長(zhǎng)條件和莫斯布爾斯坦效應(yīng)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，磁性過(guò)渡金屬體心摻雜比替代摻雜更容易改善氮化銅的磁學(xué)性能。其中鉻體心摻雜氮化銅展現(xiàn)出最大的磁性矢量0.2656μB。
　　三、針對(duì)錳摻雜帶來(lái)的特殊光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)變化，我們第一次設(shè)計(jì)了基于錳摻雜氮化銅的可見(jiàn)光探測(cè)器。制

5、備的錳摻雜氮化銅薄膜表現(xiàn)為為晶體結(jié)構(gòu)，并且能夠很好的吸收可見(jiàn)光，其光學(xué)帶隙為1.47 eV，大于純氮化銅薄膜的值1.29 eV。令人滿(mǎn)意的是基于錳摻雜的氮化銅薄膜的光探測(cè)器展示了良好的可見(jiàn)光響應(yīng)，大于2倍的響應(yīng)度，超快的反應(yīng)速率（上升和延遲時(shí)間都小于0.1 s），優(yōu)于未摻雜氮化銅薄膜的可見(jiàn)光探測(cè)器。首次發(fā)現(xiàn)的這種光電特性反應(yīng)了響應(yīng)度和響應(yīng)速度之間良好的平衡，表明錳摻雜氮化銅薄膜在未來(lái)光電探測(cè)領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景。
　　四、我們?cè)O(shè)

6、計(jì)和制備了一種添加Al2O3的氮化銅薄膜新型一次性光存儲(chǔ)器件。首先在玻璃基底上制備了111擇優(yōu)生長(zhǎng)的氮化銅薄膜。然后采用射頻濺射沉積了一層100 nm厚的Al2O3保護(hù)層，通過(guò)一個(gè)自制的掩膜版（不同尺寸大小的“IAM”掩膜圖樣）進(jìn)行激光輻射，激光照射導(dǎo)致氮化銅分解成的銅金屬和氮化銅在光反射率上有著明顯的差異而記錄信息。Al2O3保護(hù)層的加入明顯減小了激光照射分解的顆粒團(tuán)聚，通過(guò)溶液溶解后，電子顯微鏡觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)分解顆粒明顯減小，這樣使得信息