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掺杂ZnO稀磁材料薄膜的制备工艺及室温磁性研究

作　者: 王颖蕾
导　师: 陈希明
学　校: 天津理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 稀磁半导体 ZnO 磁控溅射 溶胶凝胶法 室温铁磁性
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


稀磁半导体（DMS）材料可利用电子自旋所需能量小,易控制等优点实现许多新的多功能器件。其中,纤锌矿结构的ZnO由于具有生长温度较低,激子束缚能较大（60meV）,禁带较宽（3.27eV）支持较大的磁性掺杂浓度,被预言可实现较高居里温度等优点,成为研究II-VI族DMS的理想选择。本文先介绍了目前人们对稀磁半导体的有关研究,着重介绍ZnO基DMS研究情况。为寻找一种较好的制备掺杂ZnO稀磁材料的工艺方案,我们用磁控分层溅射及共溅法制备了Cr掺杂ZnO薄膜,并用溶胶-凝胶法（sol-gel）制备Fe掺杂ZnO薄膜。研究薄膜样品的结构、成分与磁学性质。1.制备工艺研究（1）采用分层磁控溅射,靶材为Cr及ZnO,制备不同浓度Cr掺杂ZnO薄膜。射频ZnO靶的溅射功率约175W,直流Cr靶的溅射功率约为165W,通过改变每层共溅时间（10s-30s）来改变掺杂浓度。经测试分析得到每次共溅时间为20s,即掺杂浓度为2%时,衬底为硅片时的样品结晶效果最好,但衬底为载玻片时的样品铁磁性最强。（2）采用共溅射靶材为Cr及ZnO,制备不同浓度Cr掺杂ZnO薄膜。通过固定射频ZnO靶的溅射功率约175W,改变直流Cr靶的溅射功率为10W至48W,来改变掺杂浓度。经测试分析得到直流Cr靶功率为24w,即掺杂浓度为2%时,样品结晶效果最好,但直流Cr靶功率为10w,即掺杂浓度为1%时的样品铁磁性最强。（3）采用二水醋酸锌与FeCl2.4H2O为前驱体,乙二醇甲醚为溶剂,乙醇胺为稳定剂,用溶胶凝胶法制备Fe掺杂ZnO薄膜。经测试分析得到衬底为硅片,提拉法制备的薄膜结晶较好。2.室温磁性研究（1）衬底分别为硅片及载玻片,分层溅射掺Cr均为2%时,载玻片上样品的磁性能更好一些,可能衬底晶格常数与ZnO的接近程度不同,导致在同种工艺下生长的薄膜微结构的不同,掺杂离子的分布不同,从而影响到室温磁性的不同。（2）衬底均为载玻片,掺Cr均为2%时,用分层溅射制备的样品磁性能比共溅射制备的样品磁性能要好。这可能是由于共溅射制备的样品掺杂更均匀些,其溅射功率也比分层溅射小一些,最终造成制备的薄膜样品结构及缺陷不同,也会影响其室温磁性的不同。（3）分析认为Cr:ZnO掺杂体系的室温铁磁性来源于其本质属性,即铁磁性交换与反铁磁性交换作用的竞争。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-22
  1.1 物质的磁性理论  9-11
  1.2 稀磁半导体的有关研究  11-16
    1.2.1 稀磁半导体的概念及分类  11-12
    1.2.2 稀磁半导体的研究意义  12
    1.2.3 稀磁半导体的研究进展概述  12-13
    1.2.4 稀磁半导体的物理性质  13-16
  1.3 稀磁半导体磁性理论简介  16-17
  1.4 ZnO 基稀磁半导体研究概述  17-21
    1.4.1 ZnO 简介  17-18
    1.4.2 ZnO 基 DMS 有关研究  18-21
  1.5 主要研究工作  21-22
第二章 样品制备研究与测试表征方法  22-29
  2.1 样品制备  22-27
    2.1.1 分层磁控溅射制备Cr 掺杂ZnO 薄膜  22-24
    2.1.2 磁控共溅射制备Cr 掺杂ZnO 薄膜  24
    2.1.3 溶胶-凝胶法制备Fe 掺杂ZnO 薄膜  24-27
  2.2 测试表征方法  27-29
第三章 测试结果分析  29-42
  3.1 分层溅射制备的Cr掺杂ZnO薄膜测试分析  29-36
    3.1.1 结构分析  29-30
    3.1.2 表面形貌分析  30-31
    3.1.3 成分分析  31-34
    3.1.4 磁性分析  34-36
  3.2 共溅法制备的Cr 掺杂ZnO 薄膜测试分析  36-40
    3.2.1 结构分析  36-37
    3.2.2 表面形貌分析  37-38
    3.2.3 成分分析  38-39
    3.2.4 磁性分析  39-40
  3.3 溶胶凝胶法制备的 Fe 掺杂 ZnO 薄膜测试分析  40-41
    3.3.1 结构分析  40-41
    3.3.2 表面形貌分析  41
  3.4 本章小结  41-42
第四章 样品室温磁性比较及磁性来源分析  42-46
  4.1 不同溅射方法得到的薄膜室温磁性比较  42-43
  4.2 不同衬底上薄膜室温磁性比较  43
  4.3 Cr：ZnO 薄膜室温磁性来源分析  43-45
  4.4 本章小结  45-46
第五章 结论与展望  46-47
参考文献  47-50
发表论文和科研情况说明  50-51
致谢  51-52

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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