ZnO基稀磁半导体薄膜制备及铁磁特性研究

摘要

本文采用脉冲激光沉积法（PLD）制备了晶态ZnO薄膜，研究了衬底温度、氧气压强和衬底材料对ZnO薄膜结构特性的影响，优化了工艺参数。在此基础上，制备了过渡金属Ni、Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体（DMS）薄膜材料，并对样品进行了结构表征和特性研究，结合磁性行为分析，探讨了样品铁磁性的起因。
　　 对于Ni掺杂的样品，其结构和光学吸收分析结果显示，Ni2+离子已经部分的替代了Zn2+离子进入到ZnO的晶格结构中。而随着Ni含量的增加，薄膜的表面形貌变得更加不均匀。室温铁磁行为是发生在Ni的含量不太高的情况下，且随着Ni含量的增加，单个Ni原子的饱和磁矩下降。对于Ni含量为7 at.％的薄膜，并没有检测到它的铁磁信号。值得注意的是，当Ni的掺杂含量从1 at.％增加到5 at.％时，薄膜中的载流子浓度相应的减小，而增到7 at.％时，载流子浓度又有所上升，这一结果表明，仅仅依靠载流子浓度不能解释ZnO：Ni薄膜的铁磁行为。所有这些结果都表明所有ZnO：Ni薄膜的微观结构随掺杂浓度的增加变差，这对ZnO：Ni薄膜中的长程铁磁有序是不利的。因此可以断定，在我们的样品中所观察到的铁磁性是ZnO：Ni薄膜的固有性质。这些ZnO：Ni薄膜的磁特性与Ni的合成浓度和薄膜的微观结构有着密切的关系。
　　 对于Mn掺杂的样品，实验结果表明，合适浓度的Mn的掺入有利于ZnO：Mn薄膜（002）生长而不形成Mn的氧化物，同时，所有的薄膜均呈现出了室温铁磁特性。随Mn含量增加，薄膜光学带隙红移，对应的Mn离子电荷转移跃迁吸收逐渐增强，饱和磁化强度逐渐减小。Raman散射光谱分析显示，薄膜的E2（high）模式和E2（low）散射特征谱线和ZnO基质中氧原子和Zn的亚晶格紧密相关。随Mn掺入浓度增加，Raman光谱E2（high）模式谱峰宽度的窄化表明了薄膜中氧空位数量的减小。而E2（low）模式表现出的红移趋势说明薄膜中施主型缺陷锌填隙浓度增加，受主型缺陷锌空位浓度减少。因此薄膜所显示出的铁磁性可归结为材料结构缺陷的本质反映。ZnO：Mn薄膜的铁磁性的减弱与Mn掺入导致的ZnO基质中的受主型缺陷锌空位的减少紧密相关。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2稀磁半导体的基本概念

1.2.1稀磁半导体定义

1.2.2稀磁半导体的基本性质

1.2.3稀磁半导体磁性的理论解释

1.3 ZnO基稀磁半导体

1.3.1 ZnO半导体的晶体结构

1.3.2 ZnO作为稀磁半导体基体的优良性质

1.4国内外在稀磁半导体方向的研究进展

1.5研究目的和意义

1.6本文所做工作

第2章 实验原理和特性检测技术

2.1薄膜制备的实验原理和实验装置

2.1.1脉冲激光沉积技术实验原理

2.1.2实验装置

2.2样品制备的前期准备工作

2.2.1靶材制备

2.2.2基片的处理和清洗

2.3样品特征分析检测技术

第3章 ZnO薄膜的制备及结构特性研究

3.1衬底温度对ZnO薄膜质量的影响

3.1.1实验条件

3.1.2薄膜的X射线衍射(XRD)和表面形貌(AFM)分析

3.1.3实验结果的分析与讨论

3.2氧气压强对ZnO薄膜质量的影响

3.2.1实验条件

3.2.2薄膜的X射线衍射(XRD)和表面形貌(AFM)分析

3.2.3实验结果的分析与讨论

3.3衬底对ZnO薄膜质量的影响

3.3.1实验条件

3.3.2薄膜的X射线衍射(XRD)分析与讨论

3.4本章小结

第4章 Ni掺杂ZnO薄膜的制备及其特性研究

4.1不同掺杂浓度下ZnO：Ni薄膜的实验条件

4.2掺杂浓度对ZnO：Ni薄膜特性的影响

4.2.1薄膜的X射线衍射分析(XRD)

4.2.2薄膜的表面形貌分析(SEM)

4.2.3薄膜的紫外-可见透射光谱分析(UV-VIS)

4.2.4薄膜的磁性分析(M-H曲线)

4.2.5薄膜的电学性质分析

4.3实验结果的分析与讨论

4.4本章小结

第5章 Mn掺杂ZnO薄膜的制备及其特性研究

5.1不同掺杂浓度下ZnO：Mn薄膜的实验条件

5.2掺杂浓度对ZnO：Mn薄膜特性的影响

5.2.1薄膜的X射线衍射分析(XRD)

5.2.2薄膜的紫外-可见透射光谱分析(UV-VIS)

5.2.3薄膜的磁性分析(M-H曲线)

5.2.4薄膜的Raman光谱分析

5.3实验结果的分析和讨论

5.4本章小结

结束语

参考文献

致 谢