外延SnO2基半导体薄膜的结构及磁、光、电性能的研究

摘要

在半导体薄膜材料领域，国内外的研究主要集中于薄膜材料改性，促进新物质的探索和深层物质结构的研究。作为重要的稀磁半导体材料和光催化材料，SnO2因其独特的物理性能，近年来受到极大的关注。然而，其室温铁磁性的起源尚无明确定论。此外，若能实现对带隙的有效调控，将丰富其在可见光范围内的应用。因此，探索调控其物理性能的方法，并建立磁-光性能的关联成为一个关键的课题。我们利用磁控溅射法制备了外延SnO2、Sn0.94K0.06O2及Sn1-xAlxO2薄膜，并对其微观结构及磁、光、电性能进行了系统研究。
　　1.使用反应溅射法制备了的外延SnO2薄膜。薄膜中存在由于Al2O3基底和SnO2薄膜之间的晶格失配而产生的双轴张应力，且该应力随膜厚的减小而增大。通过增大SnO2 bc面内的张应力，可以得到显著缩小的光学带隙。这表明应力效应有望成为有效剪裁SnO2能带结构的新手段。
　　2.使用磁控溅射法生长了外延Sn0.94K0.06O2薄膜，通过施加纯SnO2缓冲层和改变膜厚的方式调控薄膜的残余应力。XRD的结果表明，缓冲层能够提高Sn0.94K0.06O2薄膜的结晶质量，且能够有效调节薄膜中的张应力。增大Sn0.94K0.06O2 bc面内的张应力，K+优先占据替代位，薄膜中的空穴浓度增大，且光学带隙减小。此外，Sn0.94K0.06O2薄膜的饱和磁化强度随张应力的增大而明显增强。因此，在该体系中，应力效应(张应力)可用于增强空穴引起的铁磁性。
　　3.使用射频溅射法生长了外延Sn1-xAlxO2薄膜。低浓度掺杂时，Al3+优先占据替代位，引入受主缺陷。当掺杂浓度增大到8-10at.％的范围内时，多数Al3+占据间隙位，引入施主缺陷。同时，光学带隙首先因空穴掺杂而减小，随后由于电子的引入而展宽。对薄膜进行后退火处理，发现空气退火能够使Al3+从替代位(受主掺杂)转移到间隙位(施主掺杂)。当大部分Al3+占据替代位(间隙位)时，薄膜的光学帯隙将减小(增大)。此外，在薄膜中存在施主缺陷(氧空位和Al间隙位)，且该缺陷能够显著影响能带结构的情况下，外延Sn1-xAlxO2薄膜的铁磁性仍起源于局域空穴。

目录

声明

第一章 综 述

1.1半导体自旋电子学与稀磁半导体

1.1.1 自旋电子学的起源和发展

1.1.2 稀磁半导体材料的性质

1.1.3 氧化物稀磁半导体铁磁性起源的理论背景

1.2 SnO2基宽带稀磁半导体材料

1.2.1 SnO2材料简介

1.2.2 SnO2基宽带稀磁半导体材料的研究背景

1.3 选题依据及本论文的工作

第二章 样品的制备、结构表征和物性测量

2.1 薄膜的制备

2.1.1 磁控溅射原理

2.1.2 薄膜的制备与退火处理

2.2 薄膜的结构表征和物性测量

2.2.1薄膜的结构表征

2.2.2薄膜的物性测量

第三章 SnO2基薄膜的结构和物理性能的应力效应研究

3.1 外延纯SnO2薄膜的制备与物性研究

3.1.1 外延纯SnO2薄膜的结构

3.1.2 外延纯SnO2薄膜的光学性质

3.2 外延Sn0.94K0.06O2薄膜的制备与物性研究

3.2.1 外延Sn0.94K0.06O2薄膜的结构

3.2.2 外延Sn0.94K0.06O2薄膜的表面形貌

3.2.3 外延Sn0.94K0.06O2薄膜的成分和价态

3.2.4 外延Sn0.94K0.06O2薄膜的电学性质

3.2.5 外延Sn0.94K0.06O2薄膜的光学性质

3.2.6 外延Sn0.94K0.06O2薄膜的磁学性质

3.2.7 两种应力调控方法的比较：改变薄膜厚度与施加缓冲层

3.3 本章总结

第四章 外延Al掺杂SnO2薄膜的制备与物性研究

4.1 外延Al掺杂SnO2薄膜的结构

4.2 外延Al掺杂SnO2薄膜的表面形貌

4.3 外延Al掺杂SnO2薄膜的光学性质

4.4 外延Al掺杂SnO2薄膜的磁学性质

4.5 外延Al掺杂SnO2薄膜的铁磁性机制

4.6 本章总结

第五章 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢