激光沉積法制備摻鈷氧化鋅稀磁半導體.pdf

1、本文中，稀磁半導體（diluted magnetic semiconductor，簡稱DMS）是指由磁性過渡金屬或稀土金屬元素（例如：Mn、Fe、Co、Ni、Cr及Eu等）部分替代Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族、或Ⅲ-Ⅴ族等半導體中的部分元素后所形成的一類新型半導體材料，同時具有可以調(diào)節(jié)的電子電荷和電子自旋二種自由度特性。其中磁性離子的3d電子和半導體導帶sp電子之間的耦合作用(sp-d)以及磁性離子之間的(d-d)耦合交換作用使得稀磁半導體材料具

2、有很多新穎的磁光和磁電性能，在高密度非易失性存儲器、磁感應器、光隔離器、半導體集成電路、半導體激光器和自旋量子計算機等領域有廣闊的應用前景。
　　 本文簡述了稀磁半導體的歷史發(fā)展及研究現(xiàn)狀，在實驗上利用脈沖激光沉積法，首先嘗試制備ZnO靶材和薄膜，并以此為基礎，成功制備摻鈷ZnO靶材和薄膜。通過對材料的光電磁及結(jié)構(gòu)性質(zhì)測試，研究了材料性質(zhì)與制備方法和工藝的關系。
　　 論文主要內(nèi)容包括：
　　 (1)利用GCR-

3、17O型脈沖激光器Nd: YAG的三次諧波(355nm)，以藍寶石Al2O3(0001)為襯底，在不同溫度下采用脈沖激光沉積法(PLD)制備了ZnO薄膜。通過原子力顯微鏡(AFM)、Raman譜、光致發(fā)光(PL)譜、紅外透射譜、霍爾效應和表面粗糙度分析儀對制備的ZnO薄膜進行了測試。分析了在不同襯底溫度下薄膜的表面形貌、光學特性，同時進行了薄膜結(jié)構(gòu)和厚度的測試。研究表明：襯底溫度對ZnO薄膜的表面形貌、光學特性和結(jié)構(gòu)特性都是重要的工藝參

4、數(shù)，尤其在500℃時沉積的ZnO薄膜致密均勻，并表現(xiàn)出較強的紫外發(fā)射峰。
　　 (2)在不同的燒結(jié)溫度下，利用固相反應法制備Zn0.9Co0.1O塊體材料，應用單因素實驗法對相同的配比成份樣品進行處理，并分別對Zn0.9Co0.1O材料進行了X射線能譜(XPS)、M-T、傅立葉紅外吸收譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)、拉曼圖譜（Raman）和光致發(fā)光譜(PL)測試和分析。實驗結(jié)果表明：Co2+摻入ZnO晶格，并很好取代Zn2

5、+的位置而被四面氧所包圍，形成了Co-0鍵。燒結(jié)溫度對Co摻雜濃度影響不大，排除了形成Co團簇或Co0晶相的可能。燒結(jié)溫度制約Co2+摻入ZnO晶格，并取代Zn2+的位置而不影響ZnO結(jié)構(gòu)，在1200℃時制備的材料保持了纖鋅礦結(jié)構(gòu)，從拉曼光譜中也看到Co2+的聲子結(jié)構(gòu)特征明顯，并且出現(xiàn)Co離子進入ZnO晶格使得帶隙變窄的光學現(xiàn)象。
　　 (3)基于選取不同的基片溫度，利用脈沖激光沉積的方法，成功制備出鈷摻雜的氧化鋅薄膜。通過對制

6、備的樣品的原子力顯微鏡(AFM)測試，觀測到生長樣品的表面形貌圖形較未摻雜ZnO薄膜光滑平整很多；實驗上對薄膜的X射線衍射(XRD)表征，測量出Co的摻雜并沒有破壞ZnO纖鋅礦結(jié)構(gòu)，5O0℃樣品的表面形貌和結(jié)構(gòu)最佳：對薄膜的XPS的分析顯示，Co離子在樣品中以+2價的形式存在，并隨著襯底溫度的增加Co的含量也在不斷升高，但當溫度到達800℃時因超過Co溶解限出現(xiàn)了Co團簇現(xiàn)象。為進一步驗證Co離子進入ZnO的晶格，對不同基片溫度制備的樣