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氧化锌ZnO是一种直接宽带隙半导体材料,其室温下带隙宽度为3.37e V,激子束缚能高达60 me V。随着ZnO单晶及薄膜制备工艺的不断完善,在光电等领域都有广泛的应用。然而,高质量稳定p型ZnO制备远比n型ZnO困难和复杂。至今国内外尚未见到报道ZnO同质p-n结LED长时间紫外发光。可见,制备性能稳定的p型ZnO是提高ZnO光电子器件寿命的关键,已经成为ZnO半导体材料领域亟待解决的核心问题。本文通过磁控溅射及N离子注入等方法制备In-N共掺、Cu掺杂以及Cu-N共掺ZnO薄膜。并通过退火获得p型In-N共掺ZnO薄膜[ZnO:(In,N)]和具有室温铁磁性的Cu掺杂及Cu-N共掺ZnO薄膜[ZnO:(Cu,N)],借助霍尔测试(Hall)、拉曼光谱(Raman)、光致发光谱(PL)、X射线光电能谱仪(XPS)和超导量子干涉磁强计(SQUID)等表征手段对N相关掺杂ZnO薄膜的结构、光、电以及磁学性能进行研究。主要内容及结果如下:①通过改变退火的温度和时间,研究ZnO:(In,N)薄膜p型转变规律。发现ZnO:(In,N)薄膜在580°C退火25 min能获得相对较优的p型性能,其空穴浓度达到1.27×1018 cm-3,迁移率和电阻率分别为2.39cm2?V-1?s-1、2.06Ω?cm。p-ZnO:(In,N)/n-ZnO:In同质结的I-V曲线具有明显的整流特性,开启电压为2.18V。结合实验和第一性原理计算进一步探讨了In-N共掺ZnO薄膜的p型导电机理和稳定性。结论如下:1)相对于N掺杂的ZnO,In-N共掺杂明显提高了N在ZnO薄膜中的固溶度。InZn-NO中性杂质带的形成有效地“抬高”价带顶,使N的受主能级相对变浅,变温PL分析认为受主能级的离化能约为127me V;2)在实验上,In-N共掺杂ZnO薄膜p型转变的退火温度明显降低。CI-NEB计算表明,相对于N在ZnO中扩散势垒2.1e V,InZn附近N在ZnO中的扩散势垒(1.3e V)有所降低。结合XPS分析认为ZnO:(In,N)薄膜里极易形成的复合缺陷(N2-O)O和(N-O)O能够分别在550和580°C解离;3)样品导电性能跟踪的结果表明:在580±10°C退火10~25min的ZnO:(In,N)薄膜p型稳定性较好。部分样品2年过后,载流子仍然可以保持在1017 cm-3量级。而且,按照现有的工艺参数能够重复制备性能相当的p型ZnO薄膜。此外,ZnO薄膜了残留的少量间隙Ni在常温下容易与NO成键,对受主起到补偿的作用。因此,需要通过特定的退火工艺,尽可能消除p型ZnO薄膜里剩余间隙Ni。②对Zn1-xCuxO和Zn1-xCuxO:N(x=0.5%~5%)薄膜结构、光、电、磁等性能进行研究,取得的结果如下:1)随着Cu掺杂ZnO薄膜浓度增加,薄膜的电子浓度明显下降。Zn1-XCuXO(x=0.01)薄膜为弱p型导电,空穴浓度2.371×1015cm-3,Zn1-XCuXO(x=0.005)薄膜经过N离子注入和Ar气氛退火30min后转变成p型ZnO:(Cu,N)薄膜,其载流子浓度为9.155×1016 cm-3。当Cu浓度超过2%,无论Cu掺杂ZnO还是Cu-N共掺杂ZnO薄膜基本绝缘。2)本实验制备的Zn1-xCuxO(x=2%~5%)薄膜具有室温铁磁性。然而,ZnO:Cu薄膜在氩气气氛580°C退火30min后铁磁性转变为顺磁性,结合理论计算认为很可能是退火后薄膜中产生大量氧空位的原因导致Cu3d和O 2p态pd杂化减弱。3)N离子注入ZnO:Cu薄膜退火后能够增强室温铁磁性。主要原因是大量N离子填充O空位或替代O位,引起Cu3d和NO 2p态之间pd杂化。4)对于本实验制备的高剂量N离子注入ZnO:Cu薄膜,当ZnO靶材中Cu的含量达到5%时,薄膜的磁化强度将趋于饱和。③基于密度泛函理论对含有本征缺陷及Cu、N掺杂的单层纳米结构ZnO电子结构和磁性进行第一性原理计算,结果表明:1)单层纳米结构Zn25O24没有磁性,而Zn24O25的总磁矩为1.6μB,主要来源为最近邻O 2p电子在靠近费米能级附近的自旋极化。而且进一步研究发现两个VZn之间易团聚并表现出铁磁性耦合。2)单层纳米结构Zn15Cu O16具有磁性,主要来源于Cu3d和邻近O2p态pd杂化。而Zn30Cu2O32体系中两个CuZn易聚合并表现为反铁磁性,当两个CuZn非邻近才有铁磁性耦合。纳米层结构Zn32O30N2整个体系表现为顺磁性。Cu-N共掺杂单层纳米结构Zn30Cu2O31N具有铁磁性。体系中形成复合缺陷CuZn-NO-CuZn时能量最低,对应的复合体磁矩为1.85μB,其中两个CuZn的磁矩都为0.62μB,NO的磁矩为0.61μB。总之,本文不但成功制备出p型ZnO薄膜,还得到ZnO:(In,N)薄膜p/n转变“相图”。在此基础上,首次提出剩余间隙N对p型ZnO薄膜稳定性的影响,为制备性能相对稳定p型ZnO薄膜提供了一种行之有效的方法。另外,第一性原理计算表明Cu-N共掺有望实现单层ZnO的室温铁磁性,这为实验制备和研究单层ZnO提供了一定的理论参考。