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ZnO作为一种重要的光电子材料,具有直接宽带隙(在300K,Eg为3.3eV)和高达60meV的激子束缚能,一直是人们的研究热点。近年来,自旋电子学研究逐渐兴起,ZnO因其优异的光电子性能而被寄希望于作为稀磁半导体的母体,以实现新一代磁光电一体化的自旋电子器件应用。
2000年,Dietl等人通过平均场近似从理论上预言了p型电导的掺Mn的ZnO基稀磁半导体将具有室温铁磁性,人们对ZnO基稀磁半导体的研究热情更加大大提升。然而,由于制备方法的不同、实验条件的难以精确控制等原因,经常出现一些不一致的实验结果,得出的结论也往往具有争议性。要弄清ZnO基稀磁半导体的磁性来源,仍需要人们做更多的研究工作。本文采用反应磁控溅射方法制备了Zn3N2:Mn薄膜,并通过后续热氧化处理得到了Mn,N共掺的ZnMnON薄膜,成功地获得了稳定的p型电导和室温铁磁性,并系统地研究了热氧化温度对薄膜样品的结构、成份以及电学和磁学性能的影响,得到了如下结论:
1.X射线衍射(XRD)和X光电发射谱(XPS)研究发现Mn、N都替代进入了ZnO半导体的晶格。
2.由于N3-离子的替代引入了空穴,材料呈现出稳定的p型电导,通过霍尔效应测量得到其空穴浓度为2.8×1016cm。(热氧化温度为550℃,S550)。
3.通过超学量子干涉仪(SQUID)测量,发现样品呈现良好的铁磁性,其饱和磁矩为0.76μB/Mn2+(S550,测量温度为5K)。而与之相反的是,在不含N的Zn95Mn05O样品,没有观察到任何铁磁信号。这强烈表明了N的掺杂并引入空穴有助于ZnO中的Mn离子铁磁序的形成。