Co、Cr、Cu、Mn等過渡金屬摻雜ZnO薄膜的合成與性能研究.pdf

1、近年來，稀磁半導(dǎo)體由于可能在同種材料中同時實現(xiàn)對電子電荷和自旋的調(diào)控而吸引了眾多研究者的興趣。2000年，Dietl等人從理論上預(yù)言了ZnO、GaN等寬帶隙半導(dǎo)體材料有可能成為居里溫度高于室溫的稀磁半導(dǎo)體材料，該預(yù)言使得過渡金屬摻雜寬帶隙半導(dǎo)體成為國際材料界的研究熱點，隨后在過渡金屬摻雜ZnO材料中發(fā)現(xiàn)室溫鐵磁性的實驗報道更是引起了科學(xué)界的巨大熱情。ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料相對其它候選半導(dǎo)體材料有許多獨特的優(yōu)點，如很寬的帶隙(約3.4eV

2、)、室溫下很高的激子結(jié)合能(約60meV)、很高的光學(xué)增益(300cm-l)和極短的發(fā)光馳豫時間等等，這些特點使得ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料不僅可能成為未來自旋電子器件的候選材料，還有可能在未來的光電子器件和磁光器件等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
　　 本文緊扣ZnO材料研究中的熱點，以驗證ZnO基薄膜材料是否具有室溫鐵磁性并理解其鐵磁耦合機理為目的，利用射頻磁控濺射方法選擇制備了Co、Cr、Cu、Mn等一系列過渡金屬摻雜ZnO薄膜，并詳細

3、研究了其微結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)，分析了其磁性耦合機理，得出的主要結(jié)果如下：
　　 1、微結(jié)構(gòu)測試的結(jié)果表明：在摻雜濃度較低時，Co、Cr、Cu、Mn等過渡金屬摻雜ZnO薄膜是單一相的，這些過渡金屬摻雜原子成功地占據(jù)了ZnO晶格中的Zn位，實現(xiàn)了替位式摻雜而且沒有改變ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。然而，在高摻雜濃度的樣品中，比如摻雜濃度大于等于31.3atom％的Co摻雜ZnO薄膜中出現(xiàn)了少量納米尺寸的C0304團簇，在摻雜濃度達到9.

4、8atom％的Cr摻雜ZnO薄膜中則出現(xiàn)了ZnCr204雜質(zhì)相。
　　 值得注意的是：在本文制備的Cu摻雜和Mn摻雜ZnO薄膜中存在有排列整齊緊湊的納米尺寸柱狀晶粒陣列，該現(xiàn)象引起了我們的極大興趣，相關(guān)工作內(nèi)容目前已在Appl.Phys.Lett上發(fā)表。由于磁控濺射方法可以經(jīng)濟方便地大面積沉積薄膜，采取適當(dāng)?shù)墓に?，磁控濺射有望在將來可用于大規(guī)模生產(chǎn)Mn摻雜或Cu摻雜ZnO納米尺寸柱狀晶粒陣列或納米棒陣列。
　　 2、光致

5、發(fā)光的測試結(jié)果表明Mn摻雜ZnO薄膜和低濃度Co摻雜ZnO薄膜的光致發(fā)光譜中都存在中心位于375nm附近的近帶邊發(fā)光，表明其有可能在短波長發(fā)光器件中得到應(yīng)用。有趣的是，在Co摻雜ZnO薄膜中，當(dāng)Co摻雜濃度增加到31.3atom％和37.7atom％時，其光致發(fā)光譜中出現(xiàn)了中心位于332nm處的強烈深紫外發(fā)光峰，該發(fā)光應(yīng)源于包裹在Znl-xCoxO中的C0304團簇內(nèi)部從02-C02+的電荷轉(zhuǎn)移過程。C0304/Znl_xCoxO復(fù)合結(jié)

6、構(gòu)中強烈的深紫外發(fā)射表明其將來有望在短波長磁光器件、發(fā)光二極管及激光二極管等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
　　 3、實驗中制備的過渡金屬摻雜ZnO薄膜在摻雜濃度合適時都具有鐵磁性，尤其是在Cr、Cu和Mn摻雜ZnO薄膜中發(fā)現(xiàn)了居里溫度高于室溫的鐵磁性，結(jié)構(gòu)測試分析的結(jié)果表明這些薄膜中發(fā)現(xiàn)的鐵磁性來源于過渡金屬摻雜原子溶入ZnO晶格之后產(chǎn)生的本征屬性，而并非源于雜質(zhì)沉淀。進一步的電學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果和分析表明薄膜中形成這些鐵磁性的可能機理為束縛磁極