ZnO基稀磁半导体薄膜制备及铁磁特性研究

论文摘要

本文采用脉冲激光沉积法（PLD）制备了晶态ZnO薄膜,研究了衬底温度、氧气压强和衬底材料对ZnO薄膜结构特性的影响,优化了工艺参数。在此基础上,制备了过渡金属Ni、Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体（DMS）薄膜材料,并对样品进行了结构表征和特性研究,结合磁性行为分析,探讨了样品铁磁性的起因。对于Ni掺杂的样品,其结构和光学吸收分析结果显示,Ni2+离子已经部分的替代了Zn2+离子进入到ZnO的晶格结构中。而随着Ni含量的增加,薄膜的表面形貌变得更加不均匀。室温铁磁行为是发生在Ni的含量不太高的情况下,且随着Ni含量的增加,单个Ni原子的饱和磁矩下降。对于Ni含量为7 at.%的薄膜,并没有检测到它的铁磁信号。值得注意的是,当Ni的掺杂含量从1 at.%增加到5 at.%时,薄膜中的载流子浓度相应的减小,而增到7 at.%时,载流子浓度又有所上升,这一结果表明,仅仅依靠载流子浓度不能解释ZnO:Ni薄膜的铁磁行为。所有这些结果都表明所有ZnO:Ni薄膜的微观结构随掺杂浓度的增加变差,这对ZnO:Ni薄膜中的长程铁磁有序是不利的。因此可以断定,在我们的样品中所观察到的铁磁性是ZnO:Ni薄膜的固有性质。这些ZnO:Ni薄膜的磁特性与Ni的合成浓度和薄膜的微观结构有着密切的关系。对于Mn掺杂的样品,实验结果表明,合适浓度的Mn的掺入有利于ZnO:Mn薄膜（002）生长而不形成Mn的氧化物,同时,所有的薄膜均呈现出了室温铁磁特性。随Mn含量增加,薄膜光学带隙红移,对应的Mn离子电荷转移跃迁吸收逐渐增强,饱和磁化强度逐渐减小。Raman散射光谱分析显示,薄膜的E2（high）模式和E2（low）散射特征谱线和ZnO基质中氧原子和Zn的亚晶格紧密相关。随Mn掺入浓度增加,Raman光谱E2（high）模式谱峰宽度的窄化表明了薄膜中氧空位数量的减小。而E2（low）模式表现出的红移趋势说明薄膜中施主型缺陷锌填隙浓度增加,受主型缺陷锌空位浓度减少。因此薄膜所显示出的铁磁性可归结为材料结构缺陷的本质反映。ZnO:Mn薄膜的铁磁性的减弱与Mn掺入导致的ZnO基质中的受主型缺陷锌空位的减少紧密相关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 稀磁半导体的基本概念
• 1.2.1 稀磁半导体定义
• 1.2.2 稀磁半导体的基本性质
• 1.2.3 稀磁半导体磁性的理论解释
• 1.3 ZnO基稀磁半导体
• 1.3.1 ZnO半导体的晶体结构
• 1.3.2 ZnO作为稀磁半导体基体的优良性质
• 1.4 国内外在稀磁半导体方向的研究进展
• 1.5 研究目的和意义
• 1.6 本文所做工作
• 第2章 实验原理和特性检测技术
• 2.1 薄膜制备的实验原理和实验装置
• 2.1.1 脉冲激光沉积技术实验原理
• 2.1.2 实验装置
• 2.2 样品制备的前期准备工作
• 2.2.1 靶材制备
• 2.2.2 基片的处理和清洗
• 2.3 样品特征分析检测技术
• 第3章 ZnO薄膜的制备及结构特性研究
• 3.1 衬底温度对ZnO薄膜质量的影响
• 3.1.1 实验条件
• 3.1.2 薄膜的X射线衍射（XRD）和表面形貌（AFM）分析
• 3.1.3 实验结果的分析与讨论
• 3.2 氧气压强对ZnO薄膜质量的影响
• 3.2.1 实验条件
• 3.2.2 薄膜的X射线衍射（XRD）和表面形貌（AFM）分析
• 3.2.3 实验结果的分析与讨论
• 3.3 衬底对ZnO薄膜质量的影响
• 3.3.1 实验条件
• 3.3.2 薄膜的X射线衍射（XRD）分析与讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 Ni掺杂ZnO薄膜的制备及其特性研究
• 4.1 不同掺杂浓度下ZnO:Ni薄膜的实验条件
• 4.2 掺杂浓度对ZnO:Ni薄膜特性的影响
• 4.2.1 薄膜的X射线衍射分析（XRD）
• 4.2.2 薄膜的表面形貌分析（SEM）
• 4.2.3 薄膜的紫外-可见透射光谱分析（UV-VIS）
• 4.2.4 薄膜的磁性分析（M-H曲线）
• 4.2.5 薄膜的电学性质分析
• 4.3 实验结果的分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 Mn掺杂ZnO薄膜的制备及其特性研究
• 5.1 不同掺杂浓度下ZnO:Mn薄膜的实验条件
• 5.2 掺杂浓度对ZnO:Mn薄膜特性的影响
• 5.2.1 薄膜的X射线衍射分析（XRD）
• 5.2.2 薄膜的紫外-可见透射光谱分析（UV-VIS）
• 5.2.3 薄膜的磁性分析（M-H曲线）
• 5.2.4 薄膜的Raman光谱分析
• 5.3 实验结果的分析和讨论
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢