稀磁半导体薄膜的制备与特性研究——ZnO-基稀磁半导体.pdf

2005 届优秀毕业论文[设计]集(第五册理学院)
Collection Graduation Theses (Projects) of SZU 2005 (VOLUME V School of Science)

稀磁半导体薄膜的制备与特性研究
ZnO-基稀磁半导体

(理学院材料科学与工程系材料科学与工程专业朱少文)
(学号:2001143050)

摘要:本实验采用射频(RF)磁控溅射的方法在 Si 片和玻璃衬底上,通过亚分子分层掺
杂技术,制备出了不同过渡金属(Fe、Co)掺杂量的 ZnO-基稀磁半导体薄膜。 XRD 衍射图谱显示,
不同杂质含量的 ZnO 薄膜均呈现强烈的(002)衍射峰,这表明所有的样品均有高度 c 轴择优取
向;室温下 M-H 曲线不重合,有矫顽力 Hc 存在,这表明样品有室温的铁磁性。通过对各个样
品的 XRD 和 M-H 图的比较,较为系统的分析了过渡金属种类机掺杂量对 ZnO 薄膜室温铁磁性
的影响。
关键词:磁控溅射 ZnO-基稀磁半导体室温铁磁性、X 射线衍射(XRD)
教师点评:朱少文同学的论文采用射频磁控溅射亚单分子分层掺杂技术分别在 Si 和玻璃衬
底上制备了不同 Fe 和 Co 掺杂量的 ZnO 基稀磁半导体薄膜,用 X 射线衍射和振动样品磁强计对
其结构和铁磁特性进行了研究,分析了过渡金属种类和掺杂量对其铁磁特性的影响,并结合光谱
分析数据初步探讨了其铁磁性的来源。这些结果对于进一步深入研究过渡金属掺杂的 ZnO 基稀
磁半导体薄膜是十分有意义的。本论文实验方案合理,结果可靠,具有一定的创新性,是一篇优
秀的本科毕业论文。(点评教师,柳文军,副教授)


由于近年来物理学在自旋相依现象的发展及其许多极具潜力的应用,全世界自旋电子学的相
关研究正如火如荼中。在相关自旋电子学与电子自旋的组件研究系统中,稀释磁性半导体(diluted
ic semiconductor)最受瞩目。稀磁半导体(Diluted ic Semiconductor, DMS)是一类
通过在半导体中掺入少量过渡金属元素诱发产生铁磁性的半导体材料。稀磁半导体呈现出强烈的
自旋相关的光学性质和输运性质,这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础。
它同时应用了电子电荷和电子自旋性质,因而 DMS 器件可以直接与现有的半导体器件集成,在
光、电、磁功能集成等新型器件方面具有重要的应用。室温铁磁半导体材料的制备,半导体材料
中有效的自旋注入,以及自旋在半导体结构中输运和操作已成为目前半导体自旋电子学领域中的
热门课题。稀磁半导体的居里温度很难达到室温,且制作工艺也很不成熟,目前普遍研究的(In ,
Mn)As 和(Ga, Mn)As 的居里温度(Tc)都很低(35 和 110K),从实际应用的角度考虑,寻找具
有更高居里温度的材料是迫切需要的。理论工作表明,宽带隙半导体如 GaN 和 ZnO 稀磁半导体
可具有高于室温的居里温度[1]。
Sato 等人在 2000 年末发表的理论结果预测[2,3],若以 Co、Fe、Ni 掺杂的 n-type ZnO,可能
有助与高居里温度的 ZnO 稀磁半导体的产生,但是目前相关的研究报道不多。
本实验采用射频(RF)磁控溅射的方法在Si片和玻璃衬底上,通过改变过渡金属的掺杂量,
以亚分子层分层掺杂技术杂制备了ZnO-基的一系列稀磁半导体薄膜。通过对各组样品XRD和
M-H图的比较,较为系统的分析了掺杂种类和含量对薄膜室温铁磁性的影响。

二、基本理论
ZnO 材料的基本特性
1
朱少文:稀磁半导体薄膜的制备与特性研究 ZnO-基稀磁半导体
ZnO 是一种 II-VI 族宽禁带直接带隙化合物半导体材料, 其结构为六方晶体(纤锌矿)结构,
晶格常数a= , c =

,它在常温下的禁带
宽度是 eV,密度为 g
/cm3,熔点为 1975℃。在其晶
体的结构中,每个 Zn 原子与四
个 O(氧)原子按四面体排布[8],
上图给出来 ZnO 的六方晶胞结
构,可以看到 Zn 原子层和 O 原
子层交错组合。其禁带宽度和晶
格常数与 GaN 非常相近激子束
缚能为 60meV,这比同是宽禁
带材料的 ZnSe(20meV) 和
GaN(21meV)都高出许多;ZnO
的熔点为 1975℃,具有很高的
热稳定性和化学稳定性。ZnO 薄膜可以在低于 500℃温度下获得,较 GaN,SiC 和其他Ⅲ—V 族