AlN和Fe掺杂AlN薄膜的结构与性质

摘要

氮化铝(AlN)薄膜由于具有较宽的带隙、较高的声表面波波速、优异的压电性能、较高的热稳定性和抗腐蚀性，在紫外光发射、光检测和声表面波器件等方面具有广泛的应用前景。理论预言，掺杂过渡金属元素的AlN薄膜在室温下具有铁磁性，可在自旋电子学器件和量子计算机等方面得到应用。本文采用直流磁控溅射法，分别制备了未掺杂和Fe掺杂的AlN薄膜，对N2分压及总溅射气体压强(Ar+N2)的大小对AlN薄膜的结构及光学性质的影响进行了系统地研究，并对Fe掺杂AlN薄膜的结构和磁性进行了研究。 本文通过对制备态AlN薄膜进行研究，发现N2分压的变化能够影响沉积粒子的能量和迁移率，使得薄膜的结晶取向和表面粗糙度发生变化，同时导致薄膜中的缺陷浓度发生变化，从而使得薄膜中元素的化合态和薄膜的光学性质发生改变。通过利用Hermite插值方法，得出了透射光谱的封装曲线，并利用Swanepoel方法计算得到薄膜的折射率，发现在入射光波长为550nm时，制得的薄膜的折射率在1.84-1.91之间，并且随着N2分压的增大而单调增加；当入射光波长接近200nm时，薄膜对入射光发生强烈吸收，并且由于缺陷浓度的降低，导致其吸收边随着N2分压的增大而发生蓝移，其光学带隙由5.83eV增大到5.91eV。在10％N2分压下制备的薄膜的透射光谱中，在4.03eV和5.83eV处发现了两次强烈的吸收。 研究发现，由于碰撞引起的溅射粒子能量损失的减弱，较低的总溅射气体压强有利于能量较高的晶面的形成。但是由于较低的总溅射气体压强会导致薄膜密度和N含量的下降，故此时薄膜的折射率和光学带隙值也相应较小。通过计算得到，当总溅射气体压强由1.5Pa增大到2.5Pa时，对于波长为550nm的光波，薄膜的折射率在1.86-1.90之间，其光学带隙在5.87eV-5.89eV之间，均随着总溅射气体压强的增加而增大。利用共溅射法在AlN薄膜中掺入不同含量的Fe元素。研究发现，当Fe元素掺杂量较低时，Fe原子在晶格中主要占据替代位置；但是随着Fe掺杂量的增加，Fe原子开始占据填隙位置，同时有Fe-N化合态及金属Fe等杂相出现。在室温下，所有的掺杂薄膜中均出现铁磁有序现象，其饱和磁化强度随着Fe掺杂量的增加而减小。当Fe掺杂量为1.2％时，薄膜的饱和磁化强度最大，为2.81emu/cm3，其等效的平均有效原子磁矩大约为0.3μB/Fe。分析表明，薄膜的室温铁磁性来源于AlFeN三元合金。通过改变N2分压的大小，研究了N2分压对于Fe掺杂AlN薄膜的结构、表面形貌以及光学性质的影响。结果表明，N2分压的增大，可以在一定程度上促进Fe原子进入晶格，增大晶面的形成能，进而促进形成能较低的(102)晶面的形成，而较大的N2分压可以通过增加沉积粒子的能量，促进形成能较高的(002)晶面的形成。随着N2分压的增大，薄膜的表面颗粒发生细化，排列更加密集，颗粒起伏降低，表面粗糙度迅速下降。对于薄膜透射光谱的研究表明，随着N2分压的增大，薄膜的透过率相对增大，并且吸收边发生蓝移。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1 AlN的晶体结构和基本性质

1.2 AlN研究的历史与现状

1.3光学常数与光学带隙的计算

1.4本论文的主要工作

第二章样品的制备和表征

2.1多靶磁控溅射原理

2.2样品的制备

2.3样品的表征

第三章AlN薄膜的结构与光学性质

3.1 N2分压对AlN薄膜的影响

3.2总溅射气体压强对AlN薄膜的影响

3.3本章小结

第四章Fe掺杂AlN薄膜的结构与性质

4.1 Fe掺杂AlN薄膜的成分与Fe的化合态

4.2 Fe掺杂AlN薄膜的结构与性质

4.3 N2分压对Fe掺杂AlN薄膜的影响

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢