Fe和C离子双注入ZnO薄膜结构和物理性质研究

摘要

通过室温磁控溅射方法在玻璃基底上制备了厚度为300 nm的氧化锌薄膜,采用离子注入技术在ZnO薄膜中顺次注入Fe和C离子,Fe离子注入能量和注入剂量分别为120 keV和5×1016 cm-2,C离子注入能量为20 keV,剂量分别为1×1015、3×1015和5×1015 cm之。部分注入后的ZnO样品在氧气气氛下进行退火,退火温度为350℃,时间为两个小时。借助于扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射谱仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、紫外-可见吸收(谱仪UV-Vis)、光致发光谱仪(PL)和物理性能测试系统(PPMS)对注入及退火的ZnO样品的形貌、结构、成分、光学性质和磁学性质进行了测试和分析。通过研究获得了以下主要结果:
　　 (1)SEM和EDX测试结果表明,Fe和C离子的顺次注入会使得ZnO样品表面变得粗糙,氧气氛围下350℃退火处理促进了ZnO晶粒的生长。双注入及退火导致ZnO表面主要元素成分的含量都有所下降。(2)结构测试分析结果表明,制备态的ZnO薄膜主要呈现两个衍射峰,即ZnO(002)和(004)衍射峰,在Fe离子单注入ZnO薄膜出现了Fe的衍射峰,即α-Fe(110)衍射峰,表明在Fe注入的ZnO薄膜中产生了Fe的纳米颗粒。随后的C离子注入会明显地破坏Fe的纳米颗粒,导致随着C离子注入剂量的增大,α-Fe(110)的峰变弱,并且在63°附近开始出现很小的衍射峰,标志Fe纳米颗粒发生了氧化作用。不仅如此,通过对ZnO(002)峰的详细分析,结果显示Fe和C双注入在ZnO薄膜中引入的大量的晶格缺陷,使得(002)衍射峰强度明显变低,ZnO纳米颗粒也相应的变大。观测到了ZnO(002)衍射峰在注入条件下均发生红移。(3)XPS测试结果显示注入Fe原子在样品中主要以两种价态存在,即Fe的零价态和化合价态。C注入ZnO薄膜后取代O的位置,并与Zn键合,形成Zn-C键。(4)光学性质表征结果显示ZnO薄膜在380 nm附近出现很强的吸收,Fe单注入使的ZnO薄膜的光学带隙变小,而附加的C离子的注入则会导致其光学带隙增大。通过对各条件下的ZnO薄膜进行发光谱测试,结果表明Fe离子注入会使得ZnO薄膜样品的发光增强,而Fe和C离子双注入下反而使得样品的发光急剧下降,且随着C离子注入剂量的增加,发光峰出现明显红移。热退火处理的样品发光略有恢复。对发光峰进行拟合和分析结果表明,制备态的ZnO薄膜发光不仅出现本征发光,还在400 nm附近出现发光,在Fe和C双注入情况下,400 nm附近的发光仍然存在,这个发光主要来源于O空位。在450 nm附近也有个很宽的发光峰,这个发光峰主要来自于Zn的间隙子。除了ZnO本征发光外,其它的发光峰均来自于缺陷发光,注入导致样品中缺陷增多在一定程度上可以使发光增强,但是当缺陷浓度超过最佳掺杂浓度时,会引起发光淬灭。(5)PPMS磁性测试结果表明FeC3双注入的磁性要比Fe注入ZnO薄膜的磁性强,而Fe和FeC3退火样品的磁性比注入态样品的磁性有所下降。基于结构和表面成分的分析的结果对注入引起的ZnO薄膜的物性变化进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 磁性半导体

1.1.2 ZnO基DMS磁性来源

1.1.3 ZnO基DMS的共掺杂体系

1.2 ZnO的基本性质和特点

1.2.1 ZnO的基本性质

1.2.2 ZnO薄膜的制备和应用

1.3 离子注入技术及应用

1.3.1 离子注入技术

1.3.2 离子注入技术的广泛应用

1.4 本论文的主要研究内容及意义

第二章 实验过程及测试手段

2.1 氧化锌薄膜的制备

2.2 离子注入过程

2.2.1 离子注入机系统

2.2.2 离子注入基本原理及模拟

2.3 样品的热处理和各种测试手段及基本原理

2.3.1 X射线衍射(XRD)

2.3.2 紫外可见分光光度计(UV-vis)

2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.4 光致发光谱仪(PL)

2.3.5 X射线光电子能谱分析(XPS)

2.3.6 物理性质测试系统(PPMS)

第三章 Fe和C离子双注入ZnO薄膜的表面形貌、结构及化学成分的分析

3.1 扫描电子显微镜(SEM)结果与分析

3.2 电子能量色散谱(EDX)结果与分析

3.3 X射线衍射(XRD)结果与分析

3.4 X光电子能谱(XPS)结果与分析

3.5 本章小结

第四章 Fe和C离子双注入ZnO薄膜光学性质和磁学性质结果研究与分析

4.1 紫外可见(UV-Vis)测试结果

4.2 光学带隙的计算与分析

4.3 光致发光(PL)结果分析与讨论

4.4 物理性能测试(PPMS)--磁性测试

4.5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢