過渡金屬摻雜ZnO薄膜的特性研究.pdf

1、稀磁半導體(DMS)材料是通過在非磁性化合物半導體中摻雜3d過渡金屬或4f稀土金屬離子,由雜質(zhì)離子部分地取代非磁性陽離子所形成的一類新型半導體。磁性離子一般為磁性過渡金屬(TM:Mn、Fe、Co、Ni等)或稀土金屬離子。ZnO的寬帶隙(室溫下為～3.37eV)特性有可能使得ZnO基的稀磁半導體的居里溫度超過室溫(≥300K),利用其可制成新型的磁電、磁光及自旋半導體器件。這些器件的出現(xiàn)將對集成電路與數(shù)據(jù)儲存產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。
　

2、　 近年來國際上基于ZnO基的稀磁半導體開展了大量研究工作,但所取得的成果不盡相同。其中對于材料的鐵磁性產(chǎn)生機制、P型摻雜的穩(wěn)定性等問題仍存較大爭議。就目前而言Zn0基稀磁半導體制備方法眾多,這就導致了制備出的樣品在晶體結(jié)構(gòu)、缺陷及雜質(zhì)分布等微結(jié)構(gòu)性質(zhì)上各不相同,這些差異將進一步反映在稀磁半導體的光、電、磁學特性上。因此只有通過對稀磁半導體材料微結(jié)構(gòu)與物理特性的系統(tǒng)、深入研究才能獲得關(guān)于材料性能的清晰理解,為器件研制打下堅實的基礎(chǔ)。本

3、文主要圍繞ZnO基稀磁半導體薄膜的制備及光、電、磁學特性展開,通過改變實驗中生長參數(shù),檢測薄膜的微結(jié)構(gòu)與物理特性的變化,然后分析造成這些變化的原因,其中著重分析了ZnO基稀磁半導體材料的微結(jié)構(gòu)、光學性質(zhì)與磁學性質(zhì)問的關(guān)聯(lián),并討論了材料的鐵磁性產(chǎn)生機制。
　　 文章第一章介紹了目前國際上ZnO基稀磁半導體的研究進展,其中包括ZnO晶體的基本性能、ZnO基DMS薄膜的制備方法與實驗結(jié)果、ZnO基自旋電子器件的研究情況。在概述ZnO基

4、DMS材料研究目前所存在的問題后,給出了本論文的研究目的與方向,簡單描述了所開展的工作。
　　 材料的制備是整個研究工作的重要一環(huán),論文第二章就所使用的ZnO基DMS薄膜制備設備以及制備步驟做了簡要描述,并給出了所需的生長參數(shù)。論文第三章系統(tǒng)研究了Co摻雜的ZnO稀磁半導體薄膜的微結(jié)構(gòu)與磁性表現(xiàn),所制備的ZnxCo1-xO(x=0.33)薄膜在低溫下顯示為鐵磁性,在65K以上顯示為超順磁性,通過對場冷和零場冷M-T及M-H曲線以

5、及場發(fā)射掃描電子顯微鏡照片的分析,將低溫(<65K)鐵磁態(tài)到高溫(>65K)超順磁態(tài)的轉(zhuǎn)變歸因于薄膜的納米晶小尺寸效應。
　　 第四章研究了退火對Co摻雜ZnO DMS薄膜性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),退火使(002)晶面的衍射峰向大角度方向偏移,表明退火使得晶粒粒徑增大。同時發(fā)現(xiàn)退火前薄膜呈超順磁性,退火后則為鐵磁、超順磁混合態(tài),表明退火提供了足夠能量使得薄膜中一部分磁性Zn0.66Co0.34O小晶粒融合成大晶粒。新晶粒的尺寸超過了