zno基稀磁半导体薄膜材料的pld制备及其性质分析-pld preparation and property analysis of zno - based diluted magnetic semiconductor thin film materials.docx

长外延单晶膜、设备简单等优点，本论文选择了使用PLD方法在Al2O3衬底和Si衬底上制备Zn1-xCoxO薄膜。Zn1-xCoxO薄膜的性质对其生长条件和Co浓度非常敏感，因此在本论文中我们研究了生长条件和Co浓度对Zn1-xCoxO薄膜的结构、形貌、光学特性和磁学特性的影响。主要工作和结论如下：1、主要工作：(1)分别在以下条件下制备了Zn1-xCoxO薄膜。i靶材：Zn1-xCoxO（x=0.05）陶瓷靶，衬底：Al2O3、Si，靶和衬底之间的距离：4.5厘米，激光能量：200mJ/pulse，激光脉冲重复频率：10Hz，沉积气压：5.0x10-4Pa，衬底温度：300℃、400℃、500℃、600℃、700℃。ii靶材：Zn1-xCoxO（x=0.05）陶瓷靶，衬底：Al2O3、Si，靶和衬底之间的距离：4.5厘米，激光能量：200mJ/pulse，激光脉冲重复频率：10Hz，衬底温度：500℃，沉积气压：5.0x10-4Pa，1.0x10-2Pa、1.0x10-1Pa、1Pa、10Pa。iii靶材：Zn1-xCoxO（x=0.05）陶瓷靶，衬底：Al2O3、Si，靶和衬底之间的距离：4.5厘米，激光脉冲重复频率：10Hz，沉积气压：5.0x10-4Pa，衬底温度：500℃，激光能量：150mJ/pulse、200mJ/pulse、250mJ/pulse、300mJ/pulse、350mJ/pulse。iv靶材：Zn1-xCoxO（x=0.01、0.05、0.10、0.15）陶瓷靶，衬底：Al2O3，靶和衬底之间的距离：4.5厘米，激光脉冲重复频率：10Hz，沉积气压：5.0x10-4Pa，衬底温度：500℃，激光能量：200mJ/pulse。(2)使用X射线衍射仪、原子力显微镜、紫外-可见分光光度计、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、荧光谱仪、交变梯度磁强计对样品进行了测试和表征。2、主要结论：(1)Zn1-xCoxO薄膜的θ-2θ扫描的XRD谱图中出现了强度较大的ZnO的（002）峰，薄膜为具有c-轴择优取向的ZnO六方纤锌矿结构，Co的掺杂没有打乱ZnO的晶格结构。由于XRD检测灵敏度的限制而没有发现薄膜中Co3O4等杂质的迹象。Co以替代ZnO晶格中Zn的位置和Co3O4的形式存在。(2)Zn1-xCoxO薄膜呈岛状生长，覆盖于衬底的整个表面，比较致密、平滑。AFM三维图中显示薄膜的晶粒尺寸大于实际的晶粒尺寸。(3)薄膜PL谱有5个发光峰，分别位于383nm（3.24eV）、486nm（2.55eV）、495nm（2.51eV）、505nm（2.45eV）、521nm（2.38eV）。383nm（3.24eV）较强的发射是紫外发射（UV），这归因于近带边发射。486nm（2.55eV）的发光峰归因于从锌填隙到锌空位的电子跃迁，495nm（2.51eV）的发光峰归因于从锌填隙到氧填隙的电子跃迁，521nm（2.38eV）的发光峰归因于从氧空位与锌填隙复合体到价带顶的电子跃迁。505nm（2.45eV）的发射峰与氧空位有关。x=0.15的Zn1-xCoxO薄膜中由于Co浓度较高引起383nm（3.24eV）紫外发光峰的淬灭。(4)能带电子和替代Zn2+的Co2+局域d电子之间产生sp-d交换作用，s-p电子之间的交换作用使母体ZnO的导带变低，p-d电子之间交换作用使母体ZnO的价带升高，从而使薄膜的禁带宽度变窄，在UV-visible透过谱表现为Zn1-xCoxO薄膜的吸收边相对于ZnO薄膜的吸收边红移。Co2+进入ZnO的晶格中替代了Zn2+的位置会引起价带或/和导带的能级劈裂，从而使Zn1-xCoxO薄膜的吸收边相对于ZnO薄膜的吸收边变得平缓。紫外-可见分光光谱中在566nm、611nm、665nm波长处出现三个明显的吸收峰，这三个吸收峰是四面体晶体场中高自旋Co2+离子的d-d轨道跃迁的典型标志。(5)比起Al2O3衬底来，Si衬底与Zn1-xCoxO薄膜的晶格匹配更好，因此在相同条件下沉积在Si衬底上的薄膜的结构、形貌、发光特性比沉积在Al2O3衬底上的薄膜的要好些。但氧压为10Pa时，由于Si衬底表面被氧化，沉积在Si衬底上的Zn1-xCoxO薄膜结构、形貌、发光特性比沉积在Al2O3衬底的薄膜变差。(6)铁磁性是由Co2+-Co2+之间的交换作用产生的，与样品中的氧空位、位错、晶界等缺陷有关。相同生长条件下沉积在不同衬底上的样品的磁性也不相同。(7)衬底温度会直接影响等离子体流中各粒子到达衬底后的能量值。当温度过低的时候，各粒子到达衬底后会迅速损失能量，导致吸附原子没有足够的能量迁移到合适的晶格位置。而当衬底温度过高时，沉积原子又会再次溅射出或被蒸发，所以合适的衬底温度在薄膜生长过程中有着重要的作用。本