过渡金属掺杂ZnO薄膜的制备及其性能研究

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氧化锌(ZnO)作为一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料,通过掺杂过渡金属元素能够实现其室温铁磁性,并且能够在一定程度上改变ZnO薄膜的生长取向,这对非极性ZnO薄膜的制备具有一定的借鉴意义。ZnO基稀磁半导体在自旋电子学、光电子领域具有非常广阔的应用前景,而非极性ZnO薄膜的研究则有助于提高ZnO基发光器件的发光效率。本文采用射频磁控溅射在石英衬底制备Fe掺杂和Fe-Ga共掺杂ZnO基稀磁半导体;采用脉冲激光沉积法制备ZnCoO以及ZnMnO薄膜,具体研究结果如-下.1.Ar/O2气氛下制备的Fe掺杂ZnO薄膜经过快速退火处理后,室温铁磁性得到了增强。纯Ar条件下制备的薄膜都呈现n型导电,而Ga元素的掺入使得薄膜中的电子浓度得到明显提高。ZnO薄膜中Fe元素的呈现+3价态。磁学性能研究发现薄膜的室温铁磁性依赖于Fe元素的掺杂浓度,Ga元素的掺入也增强了Zn1-xFexO薄膜的铁磁性。我们分析认为,薄膜的室温铁磁性来源于氧空位相关的束缚磁极子之间的耦合作用。2.研究ZnCoO以及Zn(Co,Ga)O薄膜的结构形貌和电学、光学及磁学等性能发现,Ga掺杂后ZnCoO薄膜的择优取向由(002)向(101)转变,并且在玻璃衬底的Zn(Co,Ga)O薄膜具有更为单一的(101)取向,我们分析认为,Ga的掺入是引起生长取向转变的重要因素。此外,相比ZnCoO, Zn(Co,Ga)O薄膜的电学性能明显提高,光学带隙蓝移,同时具有较好的室温铁磁性。3. Zn(Mn,Li)O以及Zn(Mn,Na)O薄膜具有较好的晶体质量,不同沉积温度和沉积压强使得薄膜的生长取向发生改变。此外,对磁学性能研究发现,生长取向对薄膜铁磁性能产生影响,我们分析认为,这主要是由于薄膜生长取向的不同,导致缺陷诸如晶界等结构的变化所引起的。
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