Cu、Ag掺杂ZnO薄膜的结构及磁性研究

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氧化锌(ZnO)是一种具有压电和光电特性的半导体材料,可以广泛的用于太阳能电池、压电薄膜、光学器件等方面。2000年, Dietl等人通过利用Zener模型对Mn掺杂的ZnO和GaN进行了理论计算,预言以该类宽带隙半导体为基体的稀磁半导体将具有室温铁磁性(RTFM),由此掀起了对ZnO基稀磁半导体的研究热潮。本文采用直流共溅射的方法,控制实验的条件,制备了系列掺杂Cu、Ag的ZnO基稀磁半导体薄膜,并对样品薄膜的结构、形貌和室温铁磁性进行了研究。1.采用磁控溅射在玻璃基底上制备了Cu掺杂ZnO稀磁半导体薄膜,改变Cu靶的溅射功率来控制Cu的掺杂量,分别制备了不同含量的Cu掺杂ZnO薄膜,并对制备的薄膜进行真空退火和空气退火处理。采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜样品相结构进行表征,发现Cu替代Zn的位置。利用物理性能测量系统(PPMS)对薄膜磁性进行表征,采用了一种新的修正方法对磁测量结果进行修正,计算了基底拟合误差的最大值,对修正后样品的磁性进行了分析。测量结果表明:真空退火和空气退火的样品均具有室温铁磁性,并且合理推断Cu对Zn的替代以及氧空位是Cu掺杂ZnO薄膜铁磁性的重要来源。并随着Cu掺量的增加磁性减弱。2.分别在不同的玻璃基底、硅基底和蓝宝石基底上制备了Cu掺杂ZnO薄膜。实验过程中保持基底的温度200℃不变,把溅射好的薄膜在真空下退火30min。实验结果表明,基底的类型对样品薄膜的晶体结构、形貌和磁性有很大影响。在硅基底上制备的样品薄膜应力最大,矫顽力最大。3.采用直流共溅射的方法在玻璃基底上制备了Ag掺杂ZnO薄膜,改变Ag的掺杂量,然后对样品进行结构、形貌和磁性表征。结果证明了Ag掺杂ZnO薄膜具有室温铁磁性。此外由于Ag的表面活性很强,所以样品薄膜具有很强的时效性,对放置一个月前后的样品进行两次磁性测量,比较测量结果发现,样品放置一个月后,磁性明显减弱。这一结果证明了Ag掺杂ZnO薄膜的室温铁磁性来源于Ag对Zn的替代。
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