退火气氛对脉冲激光沉积制备的zn0信息工程

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1、退火气氛对脉冲激光沉积制备的Zn0信息工程　　1.引言　　近年来稀磁半导体引起了大家越来越大的重视，由于其具有独特的自旋属性而存在潜在的科技应用。在众多的稀磁半导体体系中，3d过渡金属掺杂的ZnO体系被大量的研究，这不仅是因为理论计算和实验研究预言了它们具有高居里温度，而且ZnO含量丰富，制备合成易于控制，另外还具有优异的输运性质。到目前为止，已经有很多组报道了具有室温铁磁性的ZnO基稀磁半导体材料。最近，王等报道了用电化学沉积方法制备出具有室温铁磁性的Co掺杂ZnO薄膜。徐等报道了用简单的共沉淀方法合成出单相的Zn1-xCoxO(

2、x=0.02,0.04)粉末具有明显的室温铁磁行为。尽管有报道认为Co:ZnO薄膜和纳米结构具有本征铁磁性，但是仍然有一些报道认为Co:ZnO是非铁磁性或者铁磁性是源于第二磁相例如ZnCo2O4和Co金属团簇。为了弄清楚稀磁半导体的磁性起源，人们提出了各种磁相互作用机制，例如载流子调控铁磁性，sp-d交换，过渡金属元素d电子轨道的双交换。此外，也有人提出与缺陷相关的磁相互作用在解释氧化物稀磁半导体的磁性时起了重要的作用。不同的机制例如结构缺陷，氧空位，锌填隙，锌空位也被提出认为是ZnO基稀磁半导体的铁磁性。不过，缺陷在调制铁磁有序中

3、所起的真正作用到现在为止仍然具有争议性。为了弄清楚ZnO基稀磁半导体的铁磁性起源，需要大量进行基于不用方法的实验研究。　　本文采用脉冲激光沉积方法在P型Si(100)和石英玻璃衬底上用ZnCoO陶瓷靶材制备出了Zn0.92Co0.08O薄膜，研究了不同退火气氛对Zn0.92Co0.08O薄膜的结构和磁性能的影响，发现氧气氛退火可以降低薄膜的饱和磁化强度，而真空退火能够提高薄膜的饱和磁化强度。分析结果表明缺陷（氧空位）调制的交换机制是Co:ZnO薄膜的铁磁有序的。　　2.实验　　为制备态，氧气退火以及真空退火Zn0.92Co0.08O

4、薄膜的X射线衍射图。三个样品观察到的所有的衍射峰都对应于纤锌矿的ZnO结构，并且没有与Co相关的第二相存在。　　ZnO(002)峰位占主导地位表明薄膜中晶体的择优生长方向为(002)ZnO。(103),(200),(112)衍射峰强度的减弱表明退火后沿着(002)ZnO方向生长的阵列有所增加，尤其是氧气氛退火。这些结果表明退火并未改变ZnO的晶体结构，并且在X射线衍射仪的探测灵敏度内钴原子取代了ZnO晶格中锌的位置。　　分别显示了制备态，氧气退火以及真空退火Zn0.92Co0.08O薄膜的场发射扫描电镜图片。可以看出制备态的薄膜由尺

5、寸范围在几十到几百个纳米的片状颗粒组成。经过真空退火之后，薄膜由致密均匀的平均尺寸约为50纳米的纳米晶组成。　　经过氧气退火之后，薄膜由致密均匀的平均尺寸约为30纳米的纳米晶组成。这些结果表明高温退火可以增强Zn0.92Co0.08O薄膜中纳米晶颗粒的均匀性。　　利用X射线光电子能谱来研究掺杂原子在制备态Zn0.92Co0.08O薄膜中的结合性能和氧化态。显示了制备态样品的Co2p峰的高分辨扫描X射线光电子能谱。Co2p3/2和2p1/2峰以及他们的卫星峰用高斯和洛伦兹混合法拟合。Co的Co2p3/2和2p1/2中心峰位分别位于78

6、1.4eV和796.9eV处，它们的卫星峰位分别位于786.5eV和802.7eV处，这种情形与钴处于被氧包围的环境中一致。我们知道，如果Co在薄膜中以钴金属团簇的形式存在时，Co2p3/2峰位的结合能应为778eV[23]，所以这些结果表明Co在Zn0.92Co0.08O薄膜中以+2态的形式存在，并且排除了形成钴金属团簇的可能性。插图显示了制备态薄膜中O1s的高分辨扫描X射线光电子能谱。可以看到O1s可以拟合成2个成分，其中~530eV处的峰可以归因于纤锌矿结构六边Zn2+离子阵列中的O2-离子，而~532eV处的峰和氧缺乏区域中

7、的O2-离子有关。这表明制备态的Zn0.92Co0.08O薄膜中含有大量的氧空位缺陷。　　显示了制备态Zn0.92Co0.08O薄膜的室温紫外到可见光透过谱。该谱显示了三个波长在568,616,和658纳米处的特征吸收峰。这些峰位对应于四面体对称的高自旋态Co2+离子的d-d跃迁，分别为4A2(F)-2E(G),4A2(F)-4T1(P),和4A2(F)-2A1(G)跃迁。所以，以上子带跃迁以及X射线光电子能谱的结果充分表明Co:ZnO薄膜中钴离子取代了锌离子的位置。　　到目前为止，已经有许多不同的机制可以用来解释稀磁半导体中的铁磁

8、性起源，其中，缺陷（氧空位）调控机制被广泛的讨论。最近有一些组报道了关于稀磁半导体中氧空位浓度和铁磁有序之间的联系，比如Fe:SnO2,Co:TiO2,Co:CeO2[28],Co:ZnO和Mn:ZnO　　等等。基于此，考虑到Zn0.