过渡族元素掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的生长及其性能研究

摘要

稀磁半导体材料由于在自旋电子器件中巨大的应用前景而备受关注。所谓稀磁半导体材料(Diluted Magnetic Semiconductors，DMS)是指在非磁性半导体(如IV-VI族、II-VI族或III-V族)中掺杂过渡族磁性离子，如V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni等，利用载流子控制技术产生磁性的新型功能材料。DMS同时应用了电子电荷和自旋性质，在新兴的自旋电子领域有重要应用。可用来制备各种超低能量消耗、高密度的信息存储器、逻辑器和自旋偏振光发射器等集成了光、电、磁功能的新型器件。在非磁性半导体材料中，ZnO是最有前途的制备稀磁半导体的材料。它外延生长温度低，抗辐射能力强，原材料资源丰富、价格低廉，对环境无毒无害，制备工艺简单，具有较高的禁带宽度(3.37eV)和较大的激子束缚能(60meV)。ZnO具有的这些优异特性，使其在诸多领域得到了较为广泛和有效地应用，但对于ZnO基DMS的磁性起源和室温铁磁性一直具有争议。目前关于稀磁半导体中载流子与磁性之间的关系是了解室温铁磁性的重要途径。
　　 本文在总结了ZnO基稀磁半导体材料的研究进展及现状的基础上采用脉冲激光沉积(PLD)法制备ZnNiO稀磁半导体薄膜，并通过Ni、Ga共掺，Ni、Na共掺ZnO薄膜以及Co、N共掺ZnO薄膜，研究了导电类型对ZnO基稀磁半导体材料磁性的影响。具体工作如下：
　　 1.Ni掺杂ZnO薄膜的制备及表征。采用PLD方法制备Ni掺杂ZnO薄膜，通过生长室氧压和Ni含量的变化，摸索出制备性能优良的ZnNiO薄膜的最佳工艺参数。实验发现，理想的生长工艺为：衬底温度为500℃，生长室氧压为0.02Pa，Ni含量为3at.％。当Ni含量为5at.％以上时，薄膜中出现第二相，导致薄膜的电学性能变差，在可见光(400～800nm)范围内的透过率降低。
　　 2.采用Ni-Ga共掺和Ni-Na.共掺的方法分别制备了n型Zn(Ni,Ga)O薄膜和p型Zn(Ni,Na)O薄膜，研究了导电类型对薄膜室温铁磁性的影响。研究表明，与ZnNiO薄膜相比，电子浓度增加的Zn(Ni,Ga)O薄膜饱和磁化强度降低。而p型的Zn(Ni,Na)O薄膜在室温下具有更高的饱和磁化强度和矫顽力。同时，在通过电离活化PLD方法制备的p型Co-N共掺ZnO薄膜中，我们也得到了相似的结论，与Co掺杂ZnO薄膜相比，饱和磁化强度有很大增强。可见，p型导电类型有利于Ni和Co掺杂ZnO薄膜的磁性增强。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

1.引言

2.绪论

2.1 ZnO的基本性质

2.2材料的磁性

2.2.1材料磁性的微观机理

2.2.2材料磁性的分类

2.2.3磁滞回线

2.3稀磁半导体材料

2.3.1稀磁半导体的特性

2.3.2 ZnO基稀磁半导体材料的研究进展

2.4稀磁半导体材料的制备方法

2.5稀磁半导体材料的研究进展

3.实验原理和实验过程

3.1脉冲激光沉积技术(PLD)

3.2脉冲激光沉积的基本原理

3.3 PLD技术优缺点

3.4实验工艺过程

3.4.1靶材的制备

3.4.2衬底及清洗

3.4.3薄膜的制备过程

3.5样品的测试与表征

3.5.1 X射线衍射(XRD)

3.5.2场发射扫描电镜(FE-SEM)

3.5.3 X射线光电子能谱(XPS)

3.5.4同步辐射

3.5.5超导量子干涉仪测试(SQUID)

4.Ni掺杂ZnO薄膜的制备与表征

4.1生长室氧压对薄膜性能的影响

4.1.1形貌分析

4.1.2成分分析

4.1.3结构分析

4.1.4光学性能分析

4.1.5电学性能分析

4.2靶材中的Ni含量对Ni掺杂ZnO薄膜性能的影响

4.2.1靶材中的Ni含量对Ni掺杂ZnO薄膜表面形貌的影响

4.2.2靶材中的Ni含量对Ni掺杂ZnO薄膜结构的影响

4.2.3靶材中的Ni含量对Ni掺杂ZnO薄膜光学性能的影响

4.2.4靶材中的Ni含量对Ni掺杂ZnO薄膜电学性能的影响

4.2.4磁学性能分析

5.受主和施主元素对ZnNiO薄膜铁磁性的影响

5.1 Zn(Ni,Ga)O薄膜的制备与表征

5.1.1 Zn(Ni,Ga)O薄膜的制备

5.1.2 Zn(Ni,Ga)O薄膜的表面形貌和成分分析

5.1.3薄膜的晶体结构分析

5.1.4薄膜的电学和光学性能分析

5.1.5薄膜的磁学性能分析

5.2 Zn(Ni,Na)O薄膜制备与性能研究

5.2.1 Zn(Ni,Na)O薄膜的形貌分析

5.2.2 Zn(Ni,Na)O薄膜的结构分析

5.2.3 Zn(Ni,Na)O薄膜的电学和磁性分析

5.3不同p型增强稀磁半导体薄膜对比

5.4导电类型对薄膜磁性的影响

6结论

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果