釩摻雜及釩氮共摻ZnO薄膜特性研究.pdf

1、居里溫度高于室溫的鐵磁性半導(dǎo)體是下一代微電子和光電子器件中重要的自旋電子材料。理論計算和實驗表明氧化鋅摻釩可獲得居里溫度高于300K的鐵磁性，并且空穴的引入有利于鐵磁態(tài)的穩(wěn)定。ZnO的激子結(jié)合能為60meV，在室溫或更高溫度下能穩(wěn)定存在，可以實現(xiàn)室溫或更高溫度下高效的激子受激發(fā)射。因此有可能制作磁光特性集于一身的ZiaO器件。問題是如何獲得這種特性的高質(zhì)量ZnO薄膜。 本文采用直流反應(yīng)磁控共濺射法在玻璃襯底上制備了釩摻雜的ZnO

2、薄膜，研究了釩含量對薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)參數(shù)的影響；同時考慮到空穴的引入有利于穩(wěn)定鐵磁性，還利用射頻、直流磁控共濺射的方法在玻璃襯底上制備了釩氮共摻的ZnO膜，分析了釩靶濺射功率和退火處理對薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。 研究結(jié)果和主要結(jié)論如下： 1.釩摻雜的ZnO薄膜研究(1) 當(dāng)V摻雜含量較小時(釩占鋅與釩原子和的百分比為1.74at.﹪)，薄膜具有高度c軸擇優(yōu)取向和較好的結(jié)晶質(zhì)量，隨V含量增加薄膜取向性變差。V原子替代ZnO

3、晶格中的Zn，且分布均勻。V摻雜ZnO薄膜都處于壓應(yīng)力狀態(tài)，壓應(yīng)力隨釩含量增大而增大。 (2) 少量的V摻雜可在特定的波長范圍內(nèi)獲得高透過率的釩氮共摻ZnO膜；隨釩含量增加，薄膜透過率減小，折射率先減小后增大，消光系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，光學(xué)帶隙先略微上升后明顯變小。這說明通過改變V摻雜量可以控制ZnO的光學(xué)參數(shù)。 2.釩氮共摻的ZnO薄膜研究(1) 較小的釩靶功率(30W)可濺射得到結(jié)晶質(zhì)量較好和光學(xué)透過率較高的釩氮共摻Z

4、nO膜。隨釩靶功率增加，薄膜結(jié)晶質(zhì)量變差。釩氮共摻ZnO膜的光學(xué)帶隙隨釩靶功率增大近似線性增長，這說明控制釩靶功率可改變釩氮共摻ZnO膜的光學(xué)帶隙。較小釩靶功率的釩氮共摻ZnO膜具有強的紫外發(fā)射和弱的藍光、綠光發(fā)射，發(fā)光性能較好。 (2) 退火處理可明顯改善釩氮共摻ZnO膜的結(jié)晶質(zhì)量和光學(xué)性能。隨退火溫度升高，薄膜結(jié)晶質(zhì)量變好，透過率增加，光學(xué)帶隙減小。釩氮共摻ZnO膜在550℃退火后紫外發(fā)射明顯增強，同時有藍光、綠光和紅光發(fā)射