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Mn-N共掺p型ZnO薄膜的制备及特性研究
作 者: 阮海波
导 师: 孔春阳
学 校: 重庆师范大学
专 业: 理论物理
关键词: 射频磁控溅射 离子注入 Mn-N共掺杂 退火 电激活 p型ZnO 铁磁性
分类号: O484.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 54次
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内容摘要
ZnO的室温禁带宽度是3.37eV,激子束缚能高达60meV,作为一种重要的光电信息功能材料,其p型掺杂问题是目前国际上最为关注的前沿领域。与此同时,由于ZnO通过适当地掺杂过渡金属离子有望实现室温铁磁性,有关ZnO基稀磁半导体(DMS)的研究也逐渐成为热点。本文针对目前ZnO研究中的热点问题,采用射频磁控溅射法制备较高结晶质量的ZnO:Mn薄膜,并结合N离子注入完成ZnO薄膜的Mn-N两步法共掺杂。通过在N2气氛中适当条件的快速退火,使注入的N离子达到电激活成为有效受主,进而实现p型转变。借助X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(F-SEM)、霍尔测试仪、X光电子能谱(XPS)、双光束紫外-可见分光光度计、样品振动磁强计对ZnO:Mn-N薄膜进行了结构、表面形貌、电学、元素组分及化学状态、光学、磁学等方面的测试。结果表明采用二步法共掺杂技术制备的ZnO:Mn-N薄膜具有良好的晶体质量,晶粒呈柱状结构,沿垂直于衬底的(002)方向生长。经退火后,没有观察到其它杂质相的生成。薄膜在650℃经10~30min退火时均可实现p型转变,空穴浓度可达1016-1018cm-3,表明650℃可能为ZnO:Mn-N体系中N离子达到电激活成为有效受主的温度。XPS能谱证明了Mn2+、N3-离子的掺入。在热退火作用下,部分间隙位N离子通过扩散进入O空位,形成N-Zn或N-Mn键,是样品转变为p型的依据。XPS深度剖析还发现在热退火作用下,N和Mn在薄膜体内分布比较稳定,且随刻蚀深度的增加变化不大,表明在薄膜中N离子由退火前的高斯分布趋向于均匀分布。XPS的量化分析结果表明Mn和N在薄膜体内的摩尔百分比浓度分别为~4 at.%和~1 at.%。未退火的n型与650℃退火10min的p型ZnO:Mn-N薄膜均具有室温铁磁性,矫顽力分别为40Oe与65Oe, p型样品比n型的饱和磁化强度明显增大,使用束缚磁极化子模型(BMP)对样品的磁性来源作了解释。此外,在成功实现ZnO:Mn-N薄膜p型转变的基础上,本文还在650℃20min对不同样品进行了重复性退火,样品的空穴浓度均达到~1017cm-3;在对样品进行长期的跟踪测试中,发现p型ZnO:Mn-N薄膜的电学性能在历经六个月后虽然存有不同程度的弱化,但整体表现良好,薄膜导电类型依然为p型。
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全文目录
摘要 4-5 ABSTRACT 5-9 1 研究背景和意义 9-27 1.1 引言 9 1.2 ZnO 的基本性质 9-12 1.3 ZnO 的缺陷 12-13 1.3.1 ZnO 的点缺陷 12-13 1.3.2 ZnO 的线缺陷和堆垛层错 13 1.4 ZnO 的电学性质及其掺杂 13-18 1.4.1 ZnO 的n 型掺杂 13 1.4.2 ZnO 的p 型掺杂 13-18 1.5 ZnO 基稀磁半导体的研究 18-24 1.5.1 ZnO 基稀磁半导体的理论进展 19-21 1.5.2 ZnO 基稀磁半导体的实验进展 21-24 1.6 本文的立题依据、研究内容及创新点 24-27 1.6.1 立题依据 24-25 1.6.2 研究内容 25 1.6.3 本文的特色和创新点 25-27 2 ZnO 薄膜的制备及性能评价 27-41 2.1 射频磁控溅射的基本原理 27-30 2.1.1 辉光放电原理 27-28 2.1.2 磁控溅射原理 28-30 2.2 ZnO 薄膜的制备流程 30-32 2.2.1 靶材及衬底的清洗 30-31 2.2.2 射频磁控溅射镀膜 31-32 2.2.3 ZnO 薄膜的制备参数 32 2.3 薄膜的性能评价 32-41 2.3.1 X 射线衍射(XRD) 32-33 2.3.2 霍尔(Hall)测试 33-35 2.3.3 双光束紫外-可见分光光度计 35 2.3.4 X 射线光电子能谱仪 35-37 2.3.5 场发射扫描电子显微镜 37-39 2.3.6 振动样品磁强计 39-41 3 离子注入及退火 41-47 3.1 离子注入的原理 41-45 3.1.1 离子注入装置的简介 41-42 3.1.2 非晶靶的垂直投影射程分布 42-43 3.1.3 标准偏差及注入离子分布 43-45 3.2 退火(热处理) 45-46 3.3 小结 46-47 4 退火对N 离子注入ZnO:Mn 薄膜P 型转变的影响 47-55 4.1 退火对薄膜结构的影响 47-48 4.2 退火对薄膜表面形貌的影响 48-49 4.3 退火对薄膜电学特性的影响 49-50 4.4 退火对薄膜元素化学状态的影响 50-52 4.5 P-ZnO:Mn-N 薄膜的稳定性及可重复性 52-53 4.5.1 p-ZnO:Mn-N 薄膜稳定性 52-53 4.5.2 p-ZnO:Mn-N 薄膜的可重复性 53 4.6 小结 53-55 5 P 型ZnO:Mn-N 薄膜的其它物性分析 55-63 5.1 P-ZnO:Mn-N 薄膜的深度剖析 55-58 5.1.1 p-ZnO:Mn-N 薄膜的元素化学态分析 55-56 5.1.2 p-ZnO:Mn-N 薄膜的元素定量分析 56-58 5.2 ZnO:Mn-N 薄膜的光学特性 58-60 5.3 ZnO:Mn-N 薄膜的磁性分析 60-61 5.4 小结 61-63 6 总结 63-65 参考文献 65-71 致谢 71-72 攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况 72
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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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