過(guò)渡族金屬摻雜ZnO薄膜的制備與鐵磁性能的研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)結(jié)合了半導(dǎo)體的電荷輸運(yùn)特性和磁性材料的信息存貯特性,是構(gòu)建新一代自旋電子器件的關(guān)鍵材料。由于磁性元素的引入,使得稀磁半導(dǎo)體擁有一系列不同于一般半導(dǎo)體的特性。稀磁半導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)操縱電子的電荷和自旋,使得電子的自由度增加,可以極大地提高磁存儲(chǔ)的傳輸速率,因而引起很多研究者的關(guān)注。稀磁半導(dǎo)體是國(guó)際上研究的一個(gè)熱點(diǎn),而ZnO基稀磁半導(dǎo)體又是最引人矚目的。目前

2、多數(shù)3d過(guò)渡族元素(Transition metals,簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)M))摻雜的ZnO都有實(shí)現(xiàn)鐵磁性的報(bào)道,其中研究最為廣泛的當(dāng)屬Co、Ni或Mn摻雜的ZnO,盡管取得了不少進(jìn)展,但仍有許多問(wèn)題(如ZnO:TM的磁性起源,ZnO:TM能否表現(xiàn)出內(nèi)稟鐵磁性等等)有待解決。在本論文中,利用磁控濺射制備了不同濃度的過(guò)渡族金屬摻雜ZnO半導(dǎo)體樣品。研究多種不同過(guò)渡金屬摻雜ZnO半導(dǎo)體體系,對(duì)過(guò)渡金屬摻雜導(dǎo)致ZnO基半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、光學(xué)以及磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行

3、了詳細(xì)的研究。結(jié)合SQUD、XRD和XPS等方法,解析過(guò)渡金屬在基質(zhì)ZnO中的存在方式,探討鐵磁性的產(chǎn)生機(jī)理,并重點(diǎn)對(duì)ZnO:V薄膜進(jìn)行了研究。
　　 1.利用直流反應(yīng)磁控濺射制備了ZnO:TM(V,Mn,Fe,Co,Ni)薄膜并對(duì)其結(jié)構(gòu),光學(xué),磁學(xué)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明所有的薄膜都具有纖鋅礦結(jié)構(gòu),在摻雜濃度相對(duì)較低的情況下,薄膜都沿著c軸取向生長(zhǎng),隨著摻雜濃度的增大,有些薄膜變?yōu)榉蔷B(tài),有些薄膜依然保持為多晶態(tài)。這是因?yàn)椴煌?/p>

4、離子半徑大小不同,使得晶格產(chǎn)生的畸變不同引起的。ZnO:V與ZnO:Fe薄膜的透過(guò)率都是隨著薄膜的摻雜濃度的增大先減小后增大,而ZnO:Ni與ZnO:Co薄膜的透過(guò)率則隨著摻雜濃度的增加而減小。
　　 2.在ZnO:TM(V,Mn,Fe,Co,Ni)薄膜中只有ZnO:V,ZnO:Mn薄膜具有室溫鐵磁性,其他均不具有室溫鐵磁性。經(jīng)初步分析,在ZnO:Mn與ZnO:V中薄膜的鐵磁性來(lái)源于薄膜中的摻雜離子與缺陷形成束縛磁極子。摻雜離子

5、半徑、缺陷濃度等都會(huì)不同程度的影響薄膜中束縛磁極子的形成。
　　 3.在不同條件下制備了ZnO:V系列樣品,研究了總壓強(qiáng)、氧偏壓、襯底溫度等工藝參數(shù)對(duì)ZnO:V薄膜結(jié)構(gòu)及特性的影響。
　　 4.為了證明薄膜中的鐵磁性與缺陷濃度有關(guān),本文研究了退火對(duì)薄膜鐵磁性的影響。研究表明,當(dāng)退火溫度小于500℃時(shí),退火不會(huì)改變ZnO薄膜的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。但晶體有所改善,晶粒逐漸增大,應(yīng)力逐漸被釋放,使得薄膜的透過(guò)率隨著退火溫度的增大而提高

6、。薄膜在真空中退火會(huì)使其鐵磁性增強(qiáng),并且飽和磁化強(qiáng)度隨著退火溫度的增加而增加,在500℃退火薄膜的飽和磁化強(qiáng)度約為未退火薄膜的飽和磁化強(qiáng)度的兩倍。而在空氣中退火的薄膜并不具有室溫鐵磁性。
　　 5.在Si襯底上制備了不同V摻雜濃度的ZnO薄膜。在摻雜濃度比較小時(shí)薄膜具有高度的c軸取向,隨著摻雜濃度的增大,(002)峰的強(qiáng)度逐漸減小。相同摻雜濃度的薄膜在Si襯底上比在玻璃上的結(jié)晶質(zhì)量好。Si襯底上的薄膜的鐵磁性與玻璃上制備的ZnO

7、:V薄膜具有相同的趨勢(shì),但其飽和磁化強(qiáng)度較小,這從側(cè)面說(shuō)明了薄膜中的鐵磁性與其缺陷濃度有關(guān)。
　　 6.采用了密度泛函理論的超軟贗勢(shì)能帶計(jì)算方法,研究了纖鋅礦ZnO及ZnO:Mn的電子結(jié)構(gòu),根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,薄膜中Mn為四價(jià)Mn4+,為了保持電中性,去掉一個(gè)O2-。理論計(jì)算表明,ZnO:Mn的禁帶寬度隨著摻雜濃度的增大而逐漸增加,過(guò)渡金屬M(fèi)n的摻入導(dǎo)致了自旋極化雜質(zhì)能級(jí)的形成,電子自旋向上和自旋向下的總態(tài)密度分布存在著差別,具