过渡族金属掺杂ZnO薄膜的制备与铁磁性能的研究

摘要

稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)结合了半导体的电荷输运特性和磁性材料的信息存贮特性,是构建新一代自旋电子器件的关键材料。由于磁性元素的引入,使得稀磁半导体拥有一系列不同于一般半导体的特性。稀磁半导体能够实现同时操纵电子的电荷和自旋,使得电子的自由度增加,可以极大地提高磁存储的传输速率,因而引起很多研究者的关注。稀磁半导体是国际上研究的一个热点,而ZnO基稀磁半导体又是最引人瞩目的。目前多数3d过渡族元素(Transition metals,简写为TM))掺杂的ZnO都有实现铁磁性的报道,其中研究最为广泛的当属Co、Ni或Mn掺杂的ZnO,尽管取得了不少进展,但仍有许多问题(如ZnO:TM的磁性起源,ZnO:TM能否表现出内禀铁磁性等等)有待解决。在本论文中,利用磁控溅射制备了不同浓度的过渡族金属掺杂ZnO半导体样品。研究多种不同过渡金属掺杂ZnO半导体体系,对过渡金属掺杂导致ZnO基半导体的结构、光学以及磁学性质进行了详细的研究。结合SQUD、XRD和XPS等方法,解析过渡金属在基质ZnO中的存在方式,探讨铁磁性的产生机理,并重点对ZnO:V薄膜进行了研究。
　　 1.利用直流反应磁控溅射制备了ZnO:TM(V,Mn,Fe,Co,Ni)薄膜并对其结构,光学,磁学特性进行了研究。结果表明所有的薄膜都具有纤锌矿结构,在掺杂浓度相对较低的情况下,薄膜都沿着c轴取向生长,随着掺杂浓度的增大,有些薄膜变为非晶态,有些薄膜依然保持为多晶态。这是因为不同离子半径大小不同,使得晶格产生的畸变不同引起的。ZnO:V与ZnO:Fe薄膜的透过率都是随着薄膜的掺杂浓度的增大先减小后增大,而ZnO:Ni与ZnO:Co薄膜的透过率则随着掺杂浓度的增加而减小。
　　 2.在ZnO:TM(V,Mn,Fe,Co,Ni)薄膜中只有ZnO:V,ZnO:Mn薄膜具有室温铁磁性,其他均不具有室温铁磁性。经初步分析,在ZnO:Mn与ZnO:V中薄膜的铁磁性来源于薄膜中的掺杂离子与缺陷形成束缚磁极子。掺杂离子半径、缺陷浓度等都会不同程度的影响薄膜中束缚磁极子的形成。
　　 3.在不同条件下制备了ZnO:V系列样品,研究了总压强、氧偏压、衬底温度等工艺参数对ZnO:V薄膜结构及特性的影响。
　　 4.为了证明薄膜中的铁磁性与缺陷浓度有关,本文研究了退火对薄膜铁磁性的影响。研究表明,当退火温度小于500℃时,退火不会改变ZnO薄膜的纤锌矿结构。但晶体有所改善,晶粒逐渐增大,应力逐渐被释放,使得薄膜的透过率随着退火温度的增大而提高。薄膜在真空中退火会使其铁磁性增强,并且饱和磁化强度随着退火温度的增加而增加,在500℃退火薄膜的饱和磁化强度约为未退火薄膜的饱和磁化强度的两倍。而在空气中退火的薄膜并不具有室温铁磁性。
　　 5.在Si衬底上制备了不同V掺杂浓度的ZnO薄膜。在掺杂浓度比较小时薄膜具有高度的c轴取向,随着掺杂浓度的增大,(002)峰的强度逐渐减小。相同掺杂浓度的薄膜在Si衬底上比在玻璃上的结晶质量好。Si衬底上的薄膜的铁磁性与玻璃上制备的ZnO:V薄膜具有相同的趋势,但其饱和磁化强度较小,这从侧面说明了薄膜中的铁磁性与其缺陷浓度有关。
　　 6.采用了密度泛函理论的超软赝势能带计算方法,研究了纤锌矿ZnO及ZnO:Mn的电子结构,根据前面的实验结果,薄膜中Mn为四价Mn4+,为了保持电中性,去掉一个O2-。理论计算表明,ZnO:Mn的禁带宽度随着掺杂浓度的增大而逐渐增加,过渡金属Mn的掺入导致了自旋极化杂质能级的形成,电子自旋向上和自旋向下的总态密度分布存在着差别,具有不对称性,呈现铁磁性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

序

1 引言

1.1 自旋电子学的概念

1.2 稀磁半导体的概念与分类

1.3 稀磁半导体的研究概况

1.4 稀磁半导体磁性来源和机理

1.5 稀磁半导体的应用前景

1.6 ZnO基稀磁半导体的性质及研究进展

1.7 本论文的选题依据和研究意义

1.8 本论文的主要工作

2 制备方法与测试手段

2.1 制备系统简介

2.2 本工作用到的主要材料表征手段

3 过渡族金属掺杂ZnO薄膜的制备与铁磁特性的探索

3.1 实验过程

3.2 不同V掺杂浓度对ZnO:V薄膜性能的影响

3.3 不同Mn掺杂浓度对ZnO:Mn薄膜性能的影响

3.4 不同Co掺杂浓度对ZnO:Co薄膜性能的影响

3.5 不同Ni掺杂浓度对ZnO:Ni薄膜性能的影响

3.6 不同Fe掺杂浓度对ZnO:Fe薄膜性能的影响

3.7 比较

3.8 本章小结

4 ZnO:V薄膜的制备及其铁磁特性的研究

4.1 不同制备条件对薄膜性能的影响

4.2 退火处理对薄膜性能的影响

4.3 在硅衬底上制备的不同V掺杂浓度的ZnO薄膜特性研究

4.4 V掺杂对ZnO薄膜光学特性的影响

4.5 薄膜中磁性及其来源

4.6 本章小结

5 ZnO:Mn第一性原理研究

5.1 理论模型和计算方法

5.2 结果分析

5.3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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