离子注入掺杂ZnO薄膜结构和物性研究

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ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料,在光电子器件领域有着广泛的应用前景。同时,ZnO还有望成为稀磁半导体材料。本文采用离子注入的方式将P离子分别掺杂到ZnO以及ZnO:B薄膜中、将Fe、C离子依次注入到纯ZnO薄膜中。分别利用X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、光致发光谱(PL)、紫外-可见吸收谱(UV-vis)以及物理性质测量系统(PPMS)等主要测量手段对样品的结构、光学、电学和磁性质进行了系统的研究。首先,采用磁控溅射法生长在石英玻璃上的ZnO薄膜电阻率很大。当把能量/剂量分别为:150keV/1.5×1015ions/cm2,80keV/5.5×1014ions/cm2,和35keV/2.5×1014ions/cm2的P离子依次注入后样品呈现出空穴导电,但是载流子的浓度较低。经过500oC退火后,多能量、多剂量P离子注入的样品中空穴载流子的浓度急剧上升,而单能量、单剂量(150keV/1.5×1015ions/cm2)P离子注入的样品和ZnO参考样品表现为n型导电。经过700oC退火处理后,各类样品的电阻率都变得非常大,超过了测量极限。同时我们对各类样品的结构、光学性质也进行了系统的比较和研究,可能是PO和(或)VZn对多能量、多剂量P离子注入的样品中的电学性质起了重要的影响。其次,采用MOCVD法制备的ZnO:B薄膜的结晶质量较高,沿(110)方向择优生长。将能量40keV,剂量5.0×1014ions/cm2的P离子注入后,对薄膜的结构没有造成明显的影响。当注入剂量分别增大到2.5×1015ions/cm2和1×1016ions/cm2时,ZnO(110)衍射峰的强度有所降低,半高宽均增大。而且P离子注入之后,样品在可见光区的透射率明显下降。ZnO:B薄膜的电阻率较低,随着P离子剂量的增加,电阻率逐渐增大,当注入剂量达到1×1016ions/cm2时,电阻率增大到了0.37cm。最后,以玻璃为基底的ZnO薄膜室温下具有磁性。当把能量为120keV,剂量为5×1016ions/cm2的Fe离子注入后,在薄膜中形成了Fe的纳米颗粒。颗粒的形成对磁性没有贡献,反而使得室温下饱和磁矩降低了。当把能量为20keV,剂量为3×1015ions/cm2的C离子注入ZnO后,薄膜中的磁性也没有增强。但是,把同样能量和剂量的Fe、C离子依次注入的样品中,室温下磁性明显增强。结合样品的结构、光学性质的变化对室温下饱和磁矩的增强进行了尝试性的解释。
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