氧化鋅薄片、孿晶的制備及錳摻雜氧化鋅的磁性和拉曼散射.pdf

1、氧化鋅納米材料在紫外激光器、場(chǎng)效應(yīng)管、傳感器、光電二極管、壓電電子學(xué)、透明導(dǎo)電薄膜、太陽(yáng)能電池和自旋電子學(xué)領(lǐng)域中均有潛在應(yīng)用。本文涉及的氧化鋅納米材料均是通過(guò)氣相輸運(yùn)冷凝法制備的，主要研究了如何通過(guò)金屬催化劑調(diào)控氧化鋅納米材料的維度，如何通過(guò)金屬合金催化劑調(diào)控氧化鋅納米材料中的缺陷，如何通過(guò)錳摻雜調(diào)控氧化鋅中的電子、聲子和自旋之間的耦合進(jìn)而改變氧化鋅的光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。本文分為五章。
　　在第一章里，我們回顧了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程和

2、氧化鋅的研究進(jìn)展并給出本文的切入點(diǎn)與主要內(nèi)容。
　　第二章主要涉及準(zhǔn)二維氧化鋅納米薄片的制備、表征和器件應(yīng)用。我們通過(guò)銀納米顆粒催化制備了10nm厚的氧化鋅納米薄片。常溫?zé)晒夤庾V顯示可見(jiàn)峰位于650 nm，變溫?zé)晒庾V表明低溫下發(fā)光由施主雜質(zhì)貢獻(xiàn)的束縛激子發(fā)光主導(dǎo)。利用電子束光刻技術(shù)制備了基于氧化鋅納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)管。研究發(fā)現(xiàn)在吸附氧存在的情況下，器件呈現(xiàn)N增強(qiáng)型，具有可達(dá)到～108的開(kāi)關(guān)比和254cm2/Vs的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，載流子

3、濃度為～1018 cm3;在沒(méi)有氧氣吸附的情況下，具有～250 cm2/Vs的場(chǎng)效應(yīng)遷移率和載流子濃度為～1020cm3，而開(kāi)關(guān)比僅有5。上述結(jié)果表明:這種準(zhǔn)二維氧化鋅納米薄片可以形成空間受限二維電子氣，但是由于氧化物表面豐富的缺陷使得二維電子的密度過(guò)大，難以通過(guò)門電壓調(diào)控;若表面吸附一層氧氣分子，表面耗盡可以有效降低二維電子氣的密度，從而呈現(xiàn)可被門電壓調(diào)控的優(yōu)異性能。最后我們對(duì)氧化鋅納米薄片F(xiàn)ET器件的進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)行了展望。
　

4、　在第三章里，我們通過(guò)采用5 nmAu和5 nmAg復(fù)合膜制備的合金作為催化劑，誘導(dǎo)生長(zhǎng)出氧化鋅納米孿晶薄片，高分辨表征證實(shí)其為[2-1-10]/{10-13}孿晶。一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示:在鋅蒸汽過(guò)飽和度低的情況下，即使有AgxAu1-x合金存在，也不會(huì)有二維孿晶生成;單獨(dú)應(yīng)用10 nmAu和10 nm Ag做為生長(zhǎng)襯底以及不用任何催化劑的情況下均不能制備孿晶結(jié)構(gòu)。因此，高的鋅蒸汽濃度和AgxAu1-x合金催化作用是孿晶成核的必要條件。

5、此外，通過(guò)改變催化劑中不同的Au-Ag比率可以發(fā)現(xiàn)，在Ag0.67Au0.33合金襯底上獲得孿晶的產(chǎn)率明顯大于Ag0.33Au067合金襯底。與已報(bào)道的孿晶氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的制備需要較高的溫度(～900℃)相比，我們的孿晶納米片的制備僅需要相對(duì)較低的溫度(～650℃)，表明AgxAu1-x合金能有效降低氧化鋅的層錯(cuò)能。
　　在第四章里，我們制備了不同摻雜濃度的錳摻雜氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)系列樣品的室溫PL表征，發(fā)現(xiàn)隨著錳摻雜濃度的升

6、高，氧化鋅中同氧空位相關(guān)的可見(jiàn)發(fā)光峰強(qiáng)先增強(qiáng)后減弱，這一結(jié)果與XPS表征的材料中的氧空位濃度并不一致。價(jià)帶譜顯示錳摻雜引起了一個(gè)氧化鋅帶間的雜質(zhì)能帶，其位于導(dǎo)帶底下2.2 eV左右。結(jié)合氧化鋅的紫外峰強(qiáng)隨錳摻雜濃度的增強(qiáng)而減弱的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，我們認(rèn)為錳摻雜導(dǎo)致的雜質(zhì)能帶提供了額外的無(wú)輻射躍遷通道，使得氧化鋅自由激子的壽命變短，導(dǎo)致紫外光強(qiáng)單調(diào)減少，而可見(jiàn)光強(qiáng)的變化來(lái)源于兩種無(wú)輻射躍遷通道的競(jìng)爭(zhēng)。另一方面，隨著錳摻雜增加，氧化鋅紫外發(fā)光峰位發(fā)

7、生藍(lán)移，表明錳成功摻入到氧化鋅晶格中。此外，我們還觀察到錳摻雜氧化鋅中存在室溫鐵磁性，低溫順磁性的反常磁性行為，可能源于載流子誘導(dǎo)的鐵磁行為。對(duì)低溫順磁性的分析發(fā)現(xiàn)，大部分錳離子是以錳-錳反鐵磁對(duì)的形式存在的，其余的以孤立的順磁離子形式存在。
　　在第五章里，我們發(fā)現(xiàn)錳摻雜氧化鋅材料的拉曼光譜中存在錳相關(guān)振動(dòng)模式的共振效應(yīng)。在514.5 nm激光激發(fā)下，錳相關(guān)振動(dòng)模式顯示有多級(jí)散射峰。通過(guò)表征不同波長(zhǎng)激光激發(fā)下拉曼光譜，驗(yàn)證了多聲

8、子散射的共振拉曼特性，顯示了多級(jí)聲子散射拉曼過(guò)程涉及真實(shí)的電子態(tài)躍遷。這一躍遷對(duì)應(yīng)錳離子在外界光激發(fā)下的離化過(guò)程:錳離子的一個(gè)d軌道電子被激發(fā)到氧化鋅導(dǎo)帶，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)局域化的束縛激子，激子回到初態(tài)時(shí)，其能量一部分發(fā)射一個(gè)光子，另一部分通過(guò)多聲子散射過(guò)程耗散掉。變溫拉曼光譜研究發(fā)現(xiàn)多聲子散射的截面隨溫度呈現(xiàn)T-1/2變化。最后我們討論了光離化錳離子改變晶格自旋電荷相互作用的可能機(jī)制，并對(duì)楊-泰勒效應(yīng)在多聲子過(guò)程中以及錳-錳離子對(duì)的雙交換