退火气氛对脉冲激光沉积制备的zn0.92co0.08o薄膜铁磁性的影响

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn退火气氛对脉冲激光沉积制备的Zn0.92Co0.08O薄膜铁1磁性的影响*何琼，王浩，汪汉斌，王喜娜，张军湖北大学物理学与电子技术学院，武汉（430062）E-mail:nanoguy@126.com摘要: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。采用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、紫外-可见透过光谱仪和振动样品磁强计对样品的表面形态、结构以及磁学性质进行了测试与分析。测试结果表明薄膜中掺杂的Co2+取代了ZnO晶格中Z

2、n2+的位置。制备态的Zn0.92Co0.08O薄膜具有室温铁磁性并且其饱和磁化强度为6.3emu/cm3。当将其在真空中进行退火，饱和磁化强度提高到7.0emu/cm3。反之，若将其在氧气氛中进行退火，饱和磁化强度下降到4.2emu/cm3。霍尔效应测量进一步表明氧空位浓度在调制稀磁半导体薄膜的铁磁性中起到重要的作用。关键词：稀磁半导体；氧化锌；钴掺杂；磁性能；缺陷中图分类号：O4741.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[1-4]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

3、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[1,3,5,6]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[7-9]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[10]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[11](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[12-14]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[15,16]磁相例如ZnCo2O4和Co

4、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[3,17]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[1]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来源时起了重要的作用。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[18,19]基稀磁半导体的铁磁性来源。不过，缺陷在调制铁磁有序中所起的真正作用到现在为止[20,21]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ZnCo

5、O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薄膜的铁磁有序的来源。2.实验本实验中，采用脉冲激光沉积方法在P型Si(100)和石英玻璃衬底上沉积Zn0.92Co0.08O薄膜。此处，采用石英玻璃衬底的目的是为了方便可见光透过率和霍尔效应的测量。钴掺杂1本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060512004）的资助-1-中国科技论文在线htt

6、p://www.paper.edu.cn氧化锌的陶瓷靶材用4N纯度的ZnO和Co2O3粉末采用传统的固相反应法制得。脉冲KrF准分子激光器(λ=248nm和τ=25ns)被用来对靶材进行烧蚀。其能量密度和频率分别为-4250mJ/pulse和10Hz。本底真空度约为10帕。在沉积过程中，衬底温度保持在873K，沉积时间为3小时，这样产生的薄膜厚度大约为500纳米。为了研究缺陷（氧空位）对磁性的影响，选取一些制备态的样品分别在20Pa的氧气和真空中973K进行后退火处理100分钟。Zn0.92Co0.08O薄膜的结构用X射线衍射仪（BrukerD8）来表征。薄膜的表面形貌用场

7、发射扫描电镜（JEOLJSM-6700F）来表征。样品中Co和O元素的结合态用X射线光电子能谱仪来表征。室温紫外可见光透过谱用紫外至红外光谱仪在200-800纳米的范围内测量。室温磁性能采用振动样品磁强计来表征，测试过程中磁场平行于薄膜表面，并且磁性数据扣除了Si衬底的抗磁成分。室温霍尔效应测量采用四探针法（AccentHL5500）测量。3.结果与讨论图1为制备态，氧气退火以及真空退火Zn0.92Co0.08O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