射频磁控溅射制备ZnO基稀磁半导体薄膜工艺研究

论文摘要

随着现代信息技术的发展,稀磁半导体因其独特的性质而备受人们关注,它将自旋和电荷两个自由度集于同一基体,同时具备有磁性材料和半导体材料的特性,在自旋电子学以及光电子领域已经展现出非常广阔的应用前景,比如自旋阀、自旋二极管、稳定的存储器、逻辑器件和高速的光开关等等,因此,无论在理论上,还是在应用上,稀磁半导体材料都是一个值得深入研究的课题。本文讨论研究的主要工作为:1、对稀磁半导体的概念、研究进展和应用领域等进行介绍;2、为了制备了高质量的Cr掺ZnO薄膜,首先对ZnO薄膜的制备参数进行优化,研究了不同沉积功率、衬底温度、氩氧比、工作压强对ZnO薄膜沉积速率和生长的影响,在本征抛光硅片上沉积ZnO薄膜的最佳参数为:衬低温度400℃,靶距6cm,氩氧分压比9∶4,功率170W,工作压强为1.5pa,,此时生长的ZnO薄膜结晶质量好,呈现高C轴取向。3、磁控溅射制备Cr掺杂ZnO薄膜,通过时间控制Cr的掺杂浓度,沉积出一组样品,对其进行热处理,采用X射线、扫描电镜、物理性质测量仪等对它们的结构和性质进行了检测和分析不断优化沉积条件,找出沉积Cr掺ZnO薄膜的最佳方案。最终得出Cr掺ZnO薄膜的最佳工艺参数如下:工作压强为1.5pa,衬底温度为400℃,氩氧比为9∶4,溅射功率为170W,直流电压为320V,直流电流为340mA。通过退火制备出的Zn1-xCrxO薄膜样品均呈现铁磁性,具有明显的磁滞现象,且Cr掺ZnO薄膜的浓度为2.10%时,薄膜的铁磁性和结晶都较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学与稀磁半导体
• 1.2 稀磁半导体
• 1.2.1 稀磁半导体的概念
• 1.2.2 稀磁半导体中的交换作用
• 1.2.3 稀磁半导体的磁化极子
• 1.2.4 稀磁半导体的研究
• 1.3 ZnO基稀磁半导体
• 1.3.1 ZnO的概述
• 1.3.2 ZnO薄膜掺杂的研究
• 1.3.3 ZnO基稀磁半导体的研究
• 1.3.4 ZnO基稀磁半导体合成中存在的重要问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 ZnO薄膜的制备和实验前期准备
• 2.1 稀磁半导体的制备方法
• 2.2 射频磁控交替溅射制备方案
• 2.2.1 薄膜制备
• 2.2.2 退火工艺
• 2.3 基片的选择及清洗
• 2.4 实验方案
• 第三章 Cr掺杂ZnO薄膜的制备
• 3.1 ZnO薄膜的制备
• 3.1.1 溅射速率对ZnO薄膜性能的影响
• 3.1.2 溅射功率对薄膜性能的影响
• 3.1.3 衬底温度对薄膜性能的影响
• 3.1.4 工作气压对薄膜性能的影响
• 3.1.5 氢氧比对薄膜性能的影响
• 3.2 Cr掺杂ZnO薄膜的制备
• 第四章 实验结果
• 4.1 稀磁半导体的检测手段
• 4.2 薄膜样品的测量结果及分析
• 4.2.1 X荧光光谱（XRF）
• 4.2.2 X射线（XRD）
• 4.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 4.2.4 物理性质测量仪（PPMS）
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 有待研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢