激光沉積法制備摻鈷氧化鋅稀磁半導(dǎo)體.pdf

1、本文中，稀磁半導(dǎo)體（diluted magnetic semiconductor，簡(jiǎn)稱DMS）是指由磁性過(guò)渡金屬或稀土金屬元素（例如：Mn、Fe、Co、Ni、Cr及Eu等）部分替代Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族、或Ⅲ-Ⅴ族等半導(dǎo)體中的部分元素后所形成的一類新型半導(dǎo)體材料，同時(shí)具有可以調(diào)節(jié)的電子電荷和電子自旋二種自由度特性。其中磁性離子的3d電子和半導(dǎo)體導(dǎo)帶sp電子之間的耦合作用(sp-d)以及磁性離子之間的(d-d)耦合交換作用使得稀磁半導(dǎo)體材料具

2、有很多新穎的磁光和磁電性能，在高密度非易失性存儲(chǔ)器、磁感應(yīng)器、光隔離器、半導(dǎo)體集成電路、半導(dǎo)體激光器和自旋量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文簡(jiǎn)述了稀磁半導(dǎo)體的歷史發(fā)展及研究現(xiàn)狀，在實(shí)驗(yàn)上利用脈沖激光沉積法，首先嘗試制備ZnO靶材和薄膜，并以此為基礎(chǔ)，成功制備摻鈷ZnO靶材和薄膜。通過(guò)對(duì)材料的光電磁及結(jié)構(gòu)性質(zhì)測(cè)試，研究了材料性質(zhì)與制備方法和工藝的關(guān)系。
　　 論文主要內(nèi)容包括：
　　 (1)利用GCR-

3、17O型脈沖激光器Nd: YAG的三次諧波(355nm)，以藍(lán)寶石Al2O3(0001)為襯底，在不同溫度下采用脈沖激光沉積法(PLD)制備了ZnO薄膜。通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)、Raman譜、光致發(fā)光(PL)譜、紅外透射譜、霍爾效應(yīng)和表面粗糙度分析儀對(duì)制備的ZnO薄膜進(jìn)行了測(cè)試。分析了在不同襯底溫度下薄膜的表面形貌、光學(xué)特性，同時(shí)進(jìn)行了薄膜結(jié)構(gòu)和厚度的測(cè)試。研究表明：襯底溫度對(duì)ZnO薄膜的表面形貌、光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特性都是重要的工藝參

4、數(shù)，尤其在500℃時(shí)沉積的ZnO薄膜致密均勻，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的紫外發(fā)射峰。
　　 (2)在不同的燒結(jié)溫度下，利用固相反應(yīng)法制備Zn0.9Co0.1O塊體材料，應(yīng)用單因素實(shí)驗(yàn)法對(duì)相同的配比成份樣品進(jìn)行處理，并分別對(duì)Zn0.9Co0.1O材料進(jìn)行了X射線能譜(XPS)、M-T、傅立葉紅外吸收譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)、拉曼圖譜（Raman）和光致發(fā)光譜(PL)測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Co2+摻入ZnO晶格，并很好取代Zn2

5、+的位置而被四面氧所包圍，形成了Co-0鍵。燒結(jié)溫度對(duì)Co摻雜濃度影響不大，排除了形成Co團(tuán)簇或Co0晶相的可能。燒結(jié)溫度制約Co2+摻入ZnO晶格，并取代Zn2+的位置而不影響ZnO結(jié)構(gòu)，在1200℃時(shí)制備的材料保持了纖鋅礦結(jié)構(gòu)，從拉曼光譜中也看到Co2+的聲子結(jié)構(gòu)特征明顯，并且出現(xiàn)Co離子進(jìn)入ZnO晶格使得帶隙變窄的光學(xué)現(xiàn)象。
　　 (3)基于選取不同的基片溫度，利用脈沖激光沉積的方法，成功制備出鈷摻雜的氧化鋅薄膜。通過(guò)對(duì)制

6、備的樣品的原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試，觀測(cè)到生長(zhǎng)樣品的表面形貌圖形較未摻雜ZnO薄膜光滑平整很多；實(shí)驗(yàn)上對(duì)薄膜的X射線衍射(XRD)表征，測(cè)量出Co的摻雜并沒(méi)有破壞ZnO纖鋅礦結(jié)構(gòu)，5O0℃樣品的表面形貌和結(jié)構(gòu)最佳：對(duì)薄膜的XPS的分析顯示，Co離子在樣品中以+2價(jià)的形式存在，并隨著襯底溫度的增加Co的含量也在不斷升高，但當(dāng)溫度到達(dá)800℃時(shí)因超過(guò)Co溶解限出現(xiàn)了Co團(tuán)簇現(xiàn)象。為進(jìn)一步驗(yàn)證Co離子進(jìn)入ZnO的晶格，對(duì)不同基片溫度制備的樣