氧化鋅的p型摻雜和室溫稀磁特性研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的直接寬帶隙半導(dǎo)體，其室溫下的禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60 meV，使其在短波長(zhǎng)發(fā)光方面有著誘人的應(yīng)用前景，因而受到研究者的廣泛關(guān)注。但目前，獲得穩(wěn)定、可重復(fù)的高質(zhì)量 p型ZnO仍面臨巨大困難，ZnO的p型摻雜已成為制約ZnO基光電器件發(fā)展的主要瓶頸，亟待國(guó)內(nèi)外科學(xué)家解決這一世界性的技術(shù)難題。另一方面，ZnO通過(guò)摻雜過(guò)渡金屬元素(如Mn，F(xiàn)e，Co，Ni等)有望實(shí)現(xiàn)室溫鐵磁性，有關(guān)

2、ZnO基稀磁半導(dǎo)體的研究也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。理論預(yù)測(cè)Mn摻雜ZnO在p型環(huán)境中有利于實(shí)現(xiàn)室溫鐵磁性，但迄今為止，有關(guān)Mn-N共摻ZnO體系的鐵磁耦合機(jī)制尚不清楚，其磁性來(lái)源也存在諸多爭(zhēng)議。
　　為此，本論文針對(duì)ZnO當(dāng)前研究中p型摻雜和稀磁特性兩大熱點(diǎn)問(wèn)題，在N離子注入ZnO單晶實(shí)現(xiàn)p型摻雜、Mn摻雜和Mn-N共摻ZnO薄膜的制備與特性研究三方面開展了工作。實(shí)驗(yàn)上，采用XRD、SEM、Raman、XPS、PL、Hall、SQUI

3、D等手段，先后研究了N摻雜劑量和退火處理對(duì)N離子注入ZnO單晶結(jié)構(gòu)和光電特性的影響；Mn摻雜濃度和退火溫度對(duì)單獨(dú)Mn摻雜、Mn-N共摻ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、光、電、磁學(xué)性能的影響；理論上采用第一性原理研究了Mn摻雜、Mn-N共摻體系的磁性和電子結(jié)構(gòu)，分析了本征缺陷對(duì)磁性的影響規(guī)律。
　　通過(guò)一系列的研究工作，取得了如下主要結(jié)果：
　?、?N離子注入會(huì)導(dǎo)致ZnO晶體質(zhì)量和光學(xué)性能下降，退火能在一定程度上減少離子注入造成的晶格

4、損傷和改善ZnO的發(fā)光特性。在650-800℃退火后，樣品的近帶邊發(fā)光強(qiáng)度比退火前提高10-20倍。
　?、谕嘶鹛幚韺?duì)于ZnO的n/p轉(zhuǎn)變有著重要影響。N離子注入劑量為1×1016 cm-2的樣品，在N2中650℃退火30min后轉(zhuǎn)變?yōu)閜型導(dǎo)電，空穴濃度約為7.81×1016cm-3。退火作用下，間隙態(tài)N離子能遷移到鄰近的O空位形成替位摻雜No受主及(N-N)O施主缺陷的逃脫、H的溢出利于ZnO:N轉(zhuǎn)變?yōu)閜導(dǎo)電；受主No在ZnO中

5、的離化能估算為135 meV。間隙Zn缺陷在500-800℃退火后仍穩(wěn)定存在，其對(duì)受主No的補(bǔ)償作用是導(dǎo)致p型ZnO:N空穴濃度不高的原因之一。
　?、鄄捎蒙漕l磁控濺射法制備了不同Mn摻雜濃度(0-6.72 at.％)的ZnO:Mn薄膜。薄膜具有單相的、c軸擇優(yōu)取向的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。Mn在ZnO中主要以Mn2+離子形式存在。Mn摻雜導(dǎo)致 ZnO薄膜晶格常數(shù)的線性增大、結(jié)晶質(zhì)量的退化、晶粒尺寸的減小、透光率的下降、帶隙的展寬以及導(dǎo)電性能

6、的下降。室溫下 ZnO:Mn薄膜表現(xiàn)出順磁行為。
　?、艿谝恍栽碛?jì)算表明Mn在ZnO中趨向于相互靠近，形成具有-Mn-O-Mn-的“緊密”結(jié)構(gòu)，并且Mn2+離子之間具有反鐵磁超交換作用。當(dāng)Mn2+離子間距離較遠(yuǎn)時(shí)，它們之間的相互作用幾乎為0。ZnO的本征缺陷 Vo、Zni和VZn中，VZn能夠調(diào)節(jié)ZnO:Mn體系中Mn2+離子間的鐵磁耦合。
　?、莅l(fā)現(xiàn)ZnO:Mn-N薄膜的鐵磁性依賴于No濃度?；诘谝恍栽砟M了Mn和N

7、在ZnO中的替位情況和不同微觀結(jié)構(gòu)中Mn2+離子間的磁相互作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Mn的摻入能夠降低 N在 ZnO中的形成能，并且 Mn與 N原子當(dāng)結(jié)成-O-Mn-N-Mn-O-時(shí)體系的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定；提出N在ZnO中的受主性質(zhì)及N的p軌道在傳遞Mn2+間的鐵磁交換作用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，系統(tǒng)中鄰近Mn離子之間存在間接雙交換是磁性來(lái)源的主要原因。此外，N和O的p態(tài)電子的長(zhǎng)程相互作用對(duì)Mn之間的鐵磁耦合也起到積極的作用。Hi對(duì)No的鈍化導(dǎo)致Mn2+離