ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜制備及鐵磁特性研究.pdf

1、本文采用脈沖激光沉積法（PLD）制備了晶態(tài)ZnO薄膜，研究了襯底溫度、氧氣壓強和襯底材料對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)特性的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，制備了過渡金屬Ni、Mn摻雜的ZnO基稀磁半導(dǎo)體（DMS）薄膜材料，并對樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和特性研究，結(jié)合磁性行為分析，探討了樣品鐵磁性的起因。
　　 對于Ni摻雜的樣品，其結(jié)構(gòu)和光學(xué)吸收分析結(jié)果顯示，Ni2+離子已經(jīng)部分的替代了Zn2+離子進(jìn)入到ZnO的晶格結(jié)構(gòu)中。而隨著Ni含量的增加

2、，薄膜的表面形貌變得更加不均勻。室溫鐵磁行為是發(fā)生在Ni的含量不太高的情況下，且隨著Ni含量的增加，單個Ni原子的飽和磁矩下降。對于Ni含量為7 at.％的薄膜，并沒有檢測到它的鐵磁信號。值得注意的是，當(dāng)Ni的摻雜含量從1 at.％增加到5 at.％時，薄膜中的載流子濃度相應(yīng)的減小，而增到7 at.％時，載流子濃度又有所上升，這一結(jié)果表明，僅僅依靠載流子濃度不能解釋ZnO：Ni薄膜的鐵磁行為。所有這些結(jié)果都表明所有ZnO：Ni薄膜的微觀

3、結(jié)構(gòu)隨摻雜濃度的增加變差，這對ZnO：Ni薄膜中的長程鐵磁有序是不利的。因此可以斷定，在我們的樣品中所觀察到的鐵磁性是ZnO：Ni薄膜的固有性質(zhì)。這些ZnO：Ni薄膜的磁特性與Ni的合成濃度和薄膜的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。
　　 對于Mn摻雜的樣品，實驗結(jié)果表明，合適濃度的Mn的摻入有利于ZnO：Mn薄膜（002）生長而不形成Mn的氧化物，同時，所有的薄膜均呈現(xiàn)出了室溫鐵磁特性。隨Mn含量增加，薄膜光學(xué)帶隙紅移，對應(yīng)的Mn離子電

4、荷轉(zhuǎn)移躍遷吸收逐漸增強，飽和磁化強度逐漸減小。Raman散射光譜分析顯示，薄膜的E2（high）模式和E2（low）散射特征譜線和ZnO基質(zhì)中氧原子和Zn的亞晶格緊密相關(guān)。隨Mn摻入濃度增加，Raman光譜E2（high）模式譜峰寬度的窄化表明了薄膜中氧空位數(shù)量的減小。而E2（low）模式表現(xiàn)出的紅移趨勢說明薄膜中施主型缺陷鋅填隙濃度增加，受主型缺陷鋅空位濃度減少。因此薄膜所顯示出的鐵磁性可歸結(jié)為材料結(jié)構(gòu)缺陷的本質(zhì)反映。ZnO：Mn薄膜