掺杂的ZnO薄膜.PPT

掺杂ZnO薄膜的结构和性质研究 报告人:居 健 指导老师:吴雪梅 诸葛兰剑 2007-8 OUTLINE 研究背景 ZnO的基本性质及其应用 ZnO基稀磁半导体的研究现状 实验安排 不同温度退火后样品的结构 不同温度退火后样品的SEM图 不同温度退火后样品（００２）衍射峰的峰位及薄膜中的应力图 结论 随着退火温度的升高，薄膜的晶粒尺寸变大(29～55nm)。 随着退火温度升高，薄膜中的压应力逐渐变小，在退火温度达到500℃时，已经表现为张应力，而且张应力随温度的继续升高而变大。 不同温度退火后样品的PL图 结论 1、不同Fe掺杂ZnO薄膜的XRD图 5、Fe掺杂ZnO薄膜光致发光特性 Zn1-xCrxO薄膜的磁性分析 磁性结果分析 Zn1-xTMxO薄膜的磁性起源： 1.Zn1-xTMxO薄膜的磁性可能起源于TM替代Zn的双交换机制。(XRD) 2. Zn1-xTMxO薄膜的铁磁性也可能是由TMxOy的磁性引起的。(XPS) 3.TM单质的存在。(仪器分辨率和掺杂量) 利用射频磁控溅射法在Si(111)、石英和蓝宝石基片上制备ZnO、 Zn1-xFexO和Zn1-xCrxO薄膜。 1.制备的薄膜(002)峰均具有良好c轴择优取向。 2.不同的退火温度和TM掺杂量会对缺陷种类和缺陷密度产生影响，从而对他们的峰位和峰强产生影响。 3.在一定TM掺杂量条件下，Fe掺杂和Cr掺杂的ZnO在低温下均发现有铁磁现象，Cr掺杂样品在室温条件下也发现了铁磁性。 更细致深入的工作将在下阶段继续进行。 根据Sherrer公式： 得到晶粒尺寸 由公式： 计算得到Cr掺杂ZnO薄膜的晶格常数c随着掺杂量的增多而增大。 2、Zn1-xCrxO薄膜的SEM图 a b c a: x=0; b: x=0.03; c: x=0.09 3、Zn1-xCrxO薄膜的透射图谱 4、掺杂量对薄膜光学带隙的影响 插图为光学带隙与Cr掺杂量的关系图 结论 (1)、成功制备了具有良好c轴择优取向的Zn1-xCrxO 薄膜。 (2)、随着Cr浓度的增加，ZnO(002)峰的半高宽将变大，通过计算发现薄膜的晶格常数c也随着Cr的增大而变大，这是由于替代的Cr离子的半径比Zn离子的半径大的原因。 (3)、在Zn1-xCrxO (x=0, 0.03, 0.09）薄膜的透射谱中，发现随着Cr含量的增加，紫外区域的吸收边将产生Burstein-Moss移动。 (4)、随着Cr的增加，薄膜的带隙宽度也随之增加。 5K 300K 目前，各个研究小组在对过渡金属（TM）掺杂ZnO形成Zn1-xTMxO薄膜铁磁性的来源的认识上存在着很大的分歧，主要有以下几种不同的观点: 载流子引发铁磁性（RKKY模型和双交换 过渡金属氧化物的弱铁磁性。 过渡金属单质团簇的存在。 机制）。 结论 * * 第13届全国等离子体科学与技术会议(成都) 苏州大学 研究背景 实验安排 ZnO薄膜的制备 ZnO薄膜的性质 Fe掺杂ZnO薄膜的性质 Cr掺杂ZnO薄膜的性质 光电领域 ZnO是Ⅱ-Ⅵ族宽禁带的直接带隙半导体； ZnO具有较大的禁带宽度(约3.37eV); ZnO具有较高的激子束缚能(约60meV)； 广泛应用于太阳能电池，紫外探测器，光电器件的单片集成，声表面波器件，ZnO发光管和激光器，压敏电阻、湿敏、气敏传感器等诸多领域。 ZnO结构示意图 六方晶系、纤锌矿结构 晶格常数：a=0.324982nm，c=0.52066nm J. Appl. Phys. 98 (2005) 041301 各种掺Mn的p型半导体的居里温度计算值 Dietl小组使用平均场理论模型分析指出宽禁带材料ZnO掺杂Mn有望成为实现高居里温度稀磁半导体的候选材料。 Science 287 (2000) 1019 Sato小组采用局域密度近似算法证实Mn、V、Cr、Fe、Co和Ni等过渡金属(TM)掺杂ZnO基半导体材料具有室温铁磁特性。 Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 39 （2001）L555 CS－400三靶射频（直流）磁控溅射沉积系统 射频工作频率13.56MHz 本底真空：6×10-4 Pa 在不同工作配置参数条件下各基片上真空淀积 ZnO薄膜及TM掺杂的ZnO薄膜 1、实验仪器 射频磁控溅射实验装置示意图 1、磁极 2、屏蔽罩 3、基片 4、磁力线 5、电场 6、挡板 7、圆形复合靶 8、基片加热装置 2、制膜工艺流程 基片清洗 基片烘干 取出样品 样品测试 射频溅射 置于沉积室 溅射气体：高纯氩气(99.999%) 靶材：高纯ZnO陶瓷靶材(99.99%，直径为60mm) 3、基片清洗