C掺杂ZnO薄膜的结构及相关物性研究

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1、重庆师范大学硕士学位论文C掺杂ZnO薄膜的结构及相关物性研究硕士研究生：卞萍指导教师：孔春阳教授学科专业：光学工程所在学院：物理与电子工程学院重庆师范大学二O一四年四月万方数据AThesisSubmittedtoChongqingNormalUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterThestudyonthestructureandphysicalpropertiesofZnO:CfilmsMaster:BianPing

2、DissertationSupervisor:KongChunyangSpecializedsubject:OpticalEngineeringCollege:CollegeofPhysicsandelectronicengineeringChongqingNormalUniversityApril2014万方数据重庆师范大学硕士学位论文摘要摘要随着自旋电子学的发展，稀磁半导体（DMS）的研究已成为目前国际上的热门课题，DMS可以实现将半导体的电荷性以及电子间的自选特性集中在同一材料中，而具有特殊的磁、磁光、磁

3、电等性质，近年来引起了科研工作者的极大兴趣。其中，研究最为广泛的要属过渡族金属掺杂的ZnO所制成的DMS。到目前为止，尽管理论和实验上已经取得了不错的结果，但是有关氧化物磁性半导体的磁性起源问题依然是争论的焦点。因此，部分研究者已经开始尝试研究非磁性金属元素及非金属元素掺杂ZnO的磁性情况以获得磁性机理研究上的突破。Pan等人通过实验制备了C掺杂ZnO薄膜并且根据第一性原理计算了ZnO:C的室温铁磁性，结果证实了C掺杂ZnO薄膜具有室温铁磁性,他们的研究开辟了了非金属元素掺杂ZnO基稀磁性半导体研究的新方向。本

4、文主要研究了ZnO:C薄膜的结构及相关物性。实验上采用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上成功制备了不同C掺杂浓度的ZnO:C薄膜。借助于X射线衍射仪(飞利浦MRD型)、霍尔测试系统（EcopiaHMS-3000型）、X射线光电子能谱仪(ThermoESCALAB250型)、拉曼测试系统(JYLabramHR800)以及光致发光光谱仪等现代表征技术，系统地研究了C掺杂ZnO薄膜的结构、光电特性、拉曼特性以及铁磁性并分析了C在ZnO薄膜中的存在形式以及薄膜中的磁性来源；理论上基于密度泛函理论的第一性原理，计算并分析了Z

5、nO:C薄膜的态密度。得到如下结果：（1）所有薄膜都呈纤锌矿结构并具有高度的c轴择优取向，未掺杂的ZnO-3呈n型导电，具有较高的电子浓度(3.275×1018cm)；（2）理论计算发现C替代Zn位的形成能较低，易为体系提供电子，为施主型缺陷；（3）随着C掺杂浓度的增加，n型导电性能不断增强，其主要原因是ZnO薄膜中的C替代Zn位起施主作用。（4）室温下所有薄膜均表现出明显的磁滞行为，说明C掺杂的ZnO薄膜具有室温铁磁性；（5）随着C掺杂浓度的增加，薄膜的结晶质量先变差后变好，同时薄膜的磁性先增强后减弱，说明薄

6、膜的磁性与结晶质量有关；（6）经过550°C退火10min后所有薄膜的结晶质量明显变好而磁性却显著减小。并且退火后550nm附近的发光强度有所减小，其主要原因是锌空位的减少，由此说明ZnO:C薄膜中的磁性主要来源于锌空位（VZn）。关键词：射频磁控溅射，C掺杂ZnO薄膜，Raman，PL谱，磁性I-万方数据重庆师范大学硕士学位论文英文摘要ThestudyonthestructureandphysicalpropertiesofZnO:CfilmsABSTRACTAlongwiththedevelopmentof

7、spintronics,theresearchofdilutedmagneticsemiconductors(DMS)hasbecomeahottopiconthecurrentinternational.DMScanputthecharacteristicofsemiconductorwithchargeandoptionalfeaturesamongtheelectronstogetherinthesamematerial,andithasspecialpropertiesofmagnetic,magnet

8、oopticalandmagnetoelectric.Soitcausedthegreatinterestofresearchersinrecentyears.ResearchsoftransitionmetaldopedZnOarethemostwidelytobemadeofDMS.Sofar,althoughithasbeenmadegoodresultsonthetheoret