N离子注入ZnO：Mn薄膜的特性研究

论文摘要

ZnO材料在室温下的带隙约为3.37eV，激子结合能高达60meV，在紫外发光器件、紫外激光器件、太阳能电池、压电器件等领域的应用前景非常广阔，近年来受到人们的广泛关注。同时，具有室温铁磁性的ZnO基稀磁半导体（DMSs）兼并了电子的电荷及自旋属性，有助于研发高性能、超高速和低功耗的半导体自旋电子器件。其中，理论研究表明p型Mn掺杂ZnO体系具有室温铁磁性。在ZnO的受主掺杂元素中，由于N离子半径与O离子半径相当，且N部分取代晶格位的O后受主离化能较低，所以N被认为是实现p-ZnO较理想的掺杂元素。然而，实验上在进行（Mn，N）共掺ZnO的铁磁性研究时，受N源、掺杂方法等因素的影响，电学性质、结构、磁性及其起源往往存在一定的争议。此外，一些小组在n型样品或者低维下的非掺杂ZnO:Mn中也发现室温铁磁性，并认为铁磁性与电子或缺陷（如氧空位，锌空位等）有关。总之，Mn掺杂ZnO体系的铁磁性及其起源需要进一步研究。本文首先利用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备了不同衬底温度的ZnMnO薄膜，通过X射线衍射、透射谱、荧光光谱、扫描电镜、霍尔测试等表征手段讨论了衬底温度对其结构、光学及电学性质的影响。研究得出，衬底温度的升高不但使薄膜的结晶质量和表面形貌得到改善，增强薄膜的带边发射（NBE），而且还可以在一定程度上抑制Zn填隙以及与之相关缺陷的生成。薄膜的电学性能的变化源于缺陷浓度的变化。之后，在衬底温度为400℃条件下制备出高结晶质量的ZnO:Mn薄膜，结合N离子注入获得Mn-N共掺ZnO薄膜，进而分析了热处理对N+注入ZnO:Mn薄膜结构、光学及室温铁磁性的影响。结果表明退火后ZnO:（Mn,N）薄膜中Mn2+和N3-均处于ZnO晶格位，没有杂质相生成。退火温度的升高及时间的加长，能够有效修复N+注入引起的晶格损伤，同时也会引起N逃逸薄膜，导致受主（NO）浓度降低。室温铁磁性存在于ZnO:（Mn,N）薄膜中，其强弱受NO浓度的影响，铁磁性起源可采用束缚磁极化子模型进行解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 ZnO 基本性质及应用
• 1.1.1 ZnO 基本性质
• 1.1.2 ZnO 的缺陷
• 1.1.3 ZnO 的应用前景
• 1.2 Zn-Mn-O 体系的铁磁性研究进展
• 1.2.1 稀磁半导体发展简介
• 1.2.2 理论研究进展
• 1.2.3 实验研究进展
• 1.2.4 小结
• 1.3 p-ZnO:N 研究概况
• 1.3.1 ZnO 的 p 型掺杂元素及其掺杂困难
• 1.3.2 N 掺杂 ZnO 的研究概况
• 1.3.3 小结
• 1.4 本文的立题依据、研究内容及特色
• 1.4.1 立题依据
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 本文特色
• 2 ZnO:（Mn,N）薄膜的制备及表征手段
• 2.1 ZnO:Mn 薄膜的制备
• 2.1.1 射频磁控溅射的原理
• 2.1.2 薄膜的形成过程
• 2.1.3 ZnO:Mn 薄膜的制备参数及流程
• 2.2 N 离子注入及热退火
• 2.2.1 N 离子注入原理简介
• 2.2.2 热退火
• 2.3 薄膜的表征手段
• 2.3.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 双光束紫外-可见光分度计
• 2.3.4 光致发光（PL）
• 2.3.5 拉曼光谱（Raman）
• 2.3.6 霍尔测试（Hall）
• 2.3.7 X 射线光电子能谱仪（XPS）
• 2.3.8 综合物性测量系统（PPMS）
• 2.4 小结
• 3 衬底温度对 ZnO:Mn 薄膜物性的影响
• 3.1 衬底温度对薄膜结构及形貌的影响
• 3.1.1 SEM 分析
• 3.1.2 XRD 分析
• 3.2 衬底温度对薄膜光学性质的影响
• 3.2.1 透射谱分析
• 3.2.2 荧光谱分析
• 3.3 衬底温度对薄膜电学性质的影响
• 3.4 小结
• 4 热退火对 N+注入 ZnO:Mn 薄膜物性的影响
• 4.1 电学特性
• 4.2 结构特性
• 4.2.1 XRD 分析
• 4.2.2 Raman 分析
• 4.3 光学特性
• 4.4 XPS 分析
• 4.5 磁性分析
• 4.6 小结
• 5 结论
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况
• 致谢