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，稀磁半導體由于可能在同種材料中同時實現對電子電荷和自旋的調控而吸引了眾多研究者的興趣。2000年，Dietl等人從理論上預言了ZnO、GaN等寬帶隙半導體材料有可能成為居里溫度高于室溫的稀磁半導體材料，該預言使得過渡金屬摻雜寬帶隙半導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)現室溫鐵磁性的實驗報道更是引起了科學界的巨大熱情。ZnO基稀磁半導體材料相對其它候選半導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合能(約60meV)、很高的光學增益(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域得到廣泛的應用。
　　 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、研究了其微結構、光學性質和磁學性質，分析了其磁性耦合機理，得出的主要結果如下：
　　 1、微結構測試的結果表明：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了ZnO晶格中的Zn位，實現了替位式摻雜而且沒有改變ZnO的纖鋅礦結構。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薄膜中則出現了ZnCr204雜質相。
　　 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，該現象引起了我們的極大興趣，相關工作內容目前已在Appl.Phys.Lett上發(fā)表。由于磁控濺射方法可以經濟方便地大面積沉積薄膜，采取適當的工藝，磁控濺射有望在將來可用于大規(guī)模生產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)光器件中得到應用。有趣的是，在Co摻雜ZnO薄膜中，當Co摻雜濃度增加到31.3atom％和37.7atom％時，其光致發(fā)光譜中出現了中心位于332nm處的強烈深紫外發(fā)光峰，該發(fā)光應源于包裹在Znl-xCoxO中的C0304團簇內部從02-C02+的電荷轉移過程。C0304/Znl_xCoxO復合結

6、構中強烈的深紫外發(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域得到應用。
　　 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)現了居里溫度高于室溫的鐵磁性，結構測試分析的結果表明這些薄膜中發(fā)現的鐵磁性來源于過渡金屬摻雜原子溶入ZnO晶格之后產生的本征屬性，而并非源于雜質沉淀。進一步的電學性質測試結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