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氧化锌薄膜的微结构调整及光、电、磁性质研究

张丽  
【摘要】:ZnO作为一种直接带隙化合物半导体材料,具有较宽的带隙(室温下3.37 eV)和较高的激子束缚能(60 meV),在短波长光电器件和磁光器件领域有极大的应用潜力,为提高光信息的记录密度和存取速度开辟了新的前景。制备高质量的ZnO薄膜,研究其光学、电学、磁学性质成为目前国际上研究的热点。 本工作采用螺旋波等离子体辅助射频磁控溅射CHWP-RF sputter)技术和脉冲激光沉积(PLD)技术,通过调整ZnO薄膜的微结构,获得了p型导电与具有室温铁磁性的ZnO薄膜,系统研究了ZnO薄膜的光、电、磁性质,得到以下主要结果: (1)在不同温度下对蓝宝石衬底进行氮化预处理,采用HWP-RF sputter技术在该衬底上获得ZnO薄膜的外延生长。结果表明:当氮化温度较高时,ZnO薄膜具有高度的c轴择优取向和ab取向,薄膜内存在较小的内应力;当氮化温度较低时,薄膜具有较好的c轴择优取向和ab取向,而薄膜内存在较大的内应力;当氮化温度处于中间值时,薄膜c轴择优取向性变差,而在ab面内不存在取向。 (2)通过调整Ar+O2混合气体的工作气压,采用HWP-RF sputter技术成功地制备了自然掺杂p型ZnO薄膜。X射线衍射结果显示薄膜具有良好的c轴择优取向和ab取向。分析表明,大量补充氧、增大氧活性粒子的浓度有利于促进本征受主缺陷的形成,实现ZnO薄膜的p型转变。 (3)以N:为掺杂源,采用HWP-RF sputter技术,在n型Si衬底上实现了A1-N共掺p型ZnO薄膜。进一步调整N2流量,在n型Si衬底上实现了p型ZnO薄膜的可控生长。给出了N相关的中性受主束缚激子为特征的低温光致发光谱,提出了施主-受主共掺实现ZnO薄膜p型掺杂的机理,所得结果对ZnO薄膜的导电类型控制具有普遍性意义。 (4)采用HWP-RF sputter技术在蓝宝石衬底上成功地制备了单相的c轴择优取向Mn-N共掺稀磁ZnO薄膜。薄膜表现出高阻特性。由Raman光谱确定Mn主要以替代Zn2+形式掺入ZnO晶格中;利用吸收光谱阐释了Mn的离化能级到价带或导带的电荷转移跃迁吸收机制。 (5)采用PLD技术在蓝宝石衬底上成功地制备了单相的c轴择优取向Mn掺杂稀磁ZnO薄膜。结果表明,随Mn掺杂量增大,薄膜的结晶质量逐渐提高;晶粒尺寸明显增大;单位磁性离子饱和磁矩逐渐减小;薄膜光学带隙红移;Mn离子电荷转移跃迁吸收逐渐增强。在外加磁场下,薄膜对左、右旋圆偏振光的吸收分析,给出了光吸收边所表现的s,p-d交换相互作用的特征。电学测试表明薄膜均为n型导电,载流子传输在低温下满足变程跳跃电导机制,较长的载流子驻留时间为薄膜铁磁特性的形成提供了条件。随Mn掺杂量增大,薄膜铁磁性的减弱可能与Zn空位浓度减小及近邻Mn离子比例的增大有关。


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