ZnO基寬禁帶稀磁半導(dǎo)體材料的制備及性能研究.pdf

1、以ZnO為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能,并且理論計(jì)算預(yù)言了一定濃度摻雜的ZnO材料具有室溫鐵磁性,因此對(duì)ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料的制備、鐵磁性起源機(jī)理、自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用前景,已成為當(dāng)前自旋電子學(xué)、材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)最為活躍的研究領(lǐng)域之一。
　　 本論文采用磁控濺射的方法制備了CrxZn1-xO薄膜、Zn/ZnO雙層膜、多層膜以及Znx(ZnO)1-x顆粒膜,并對(duì)其結(jié)構(gòu)、成分及自旋

2、相關(guān)的電磁輸運(yùn)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并對(duì)ZnO基稀磁半導(dǎo)體鐵磁性機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　 實(shí)驗(yàn)制備了多晶Cr摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜。結(jié)構(gòu)和成分測量結(jié)果表明,薄膜具有ZnO纖鋅礦結(jié)構(gòu),在儀器測試精度范圍內(nèi),沒有觀察到鐵磁性雜質(zhì),摻雜的Cr離子進(jìn)入ZnO晶格替代Zn原子與氧化合。磁性測量結(jié)果表明,不同Cr摻雜濃度樣品均具有室溫鐵磁性,Cr摻雜濃度為1.1％的樣品,飽和磁矩達(dá)到最大值0.65μB/Cr,隨著Cr摻雜濃度的增加樣品鐵磁性

3、減小。不同Cr摻雜濃度樣品的電阻率大于106Ωcm。退火處理后,薄膜的微觀結(jié)構(gòu)得到改善,但仍然保持絕緣,并且系統(tǒng)磁性減小。由于Cr及Cr的氧化物中只有CrO2具有鐵磁性,居里溫度為386 K。實(shí)驗(yàn)通過磁性測量表明Cr0.011Zn0.989O薄膜的居里溫度高于395 K,排除了CrO2鐵磁性相對(duì)薄膜鐵磁性的影響,證明Cr摻雜ZnO薄膜表現(xiàn)出的鐵磁性是材料的內(nèi)稟屬性。
　　 實(shí)驗(yàn)通過改變氧氣分壓條件,結(jié)合光致發(fā)光光譜與磁性測量,研

4、究了氧空位、鋅填隙等本征點(diǎn)缺陷與體系鐵磁性的內(nèi)在聯(lián)系。熒光光譜測量結(jié)果表明不同氧分壓條件制備的Cr0.01Zn0.99O薄膜中主要存在的點(diǎn)缺陷包括VZn,Oi,Zni,和Vo。Zni缺陷在薄膜中的相對(duì)含量與薄膜磁性隨氧氣分壓的變化趨勢相同。從實(shí)驗(yàn)上證明了摻雜ZnO薄膜中存在的本征點(diǎn)缺陷對(duì)Znf于薄膜的鐵磁性有重要的影響,改變過渡金屬Cr的摻雜濃度和氧氣分壓條件可以改變過渡金屬摻雜ZnO體系中Zni的含量,從而引起材料宏觀鐵磁性的變化。<

5、br>　　 實(shí)驗(yàn)制備了Zn/ZnO雙層膜、多層薄膜以及Znx(ZnO)1-x(x=0～0.31)顆粒薄膜,構(gòu)造了Zn和ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)。磁性測量結(jié)果表明,制備態(tài)的Zn/ZnO雙層膜為抗磁性,經(jīng)過真空退火處理后,樣品具有鐵磁性,600℃空氣退火雙層膜鐵磁性消失。制備態(tài)的[Zn/ZnO]3多層膜具有鐵磁性,600℃空氣退火2小時(shí)多層膜鐵磁性不消失。不同Zn含量的Znx(ZnO)1-x顆粒膜均具有室溫鐵磁性,樣品飽和磁化強(qiáng)度隨Zn含量的增大而

6、增加,當(dāng)x=0.31時(shí),顆粒膜飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到最大3.34emu/cc。600℃空氣退火溫度薄膜鐵磁性消失,降溫后薄膜又表現(xiàn)出鐵磁性。結(jié)構(gòu)和磁性分析結(jié)果表明,界面層或ZnO中的本征缺陷Zni是材料鐵磁性產(chǎn)生的主要因?yàn)椤?duì)Zn0.31(ZnO)0.69顆粒膜磁化強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系曲線擬合結(jié)果表明,在50～600 K這樣一個(gè)很大的溫度范圍內(nèi),顆粒膜磁性符合弱巡游鐵磁性理論模型中單個(gè)粒子激發(fā)和局部自旋密度漲落共同作用的理論公式,當(dāng)溫度高于6