钴、锰掺杂氧化锌薄膜的制备和特性研究.pdf

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1、2004年7月安徽大学学报自然科学版JuIy2004第28卷第4期JournaIofAnhuiuniverSityNaturaIScienceeditionVoI.28No.4钴!锰掺杂氧化锌薄膜的制备和特性研究刘艳美!李俊!宋学萍!李爱侠!韩家骅!周圣明安徽大学物理系安徽合肥230039摘要I在200~500C的衬底温度范围内用电子束蒸镀法在Si衬底上制备了沿002取向的Zn0.80Co0.15Mn0.050薄膜这些薄膜都具有室温铁磁性薄膜磁性随衬底温度的增大在400C出现极大值X射线分析则表明除200C制备的薄膜结晶和取向较差外其它温度的薄膜都沿C轴高度取向002面间距和衍

2、射峰半高宽FWHM接近相等讨论了衬底温度对薄膜晶体结构和磁性的影响关键词IZn0.80Co0.15Mn0.050薄膜室温磁性衬底温度电子束蒸镀中图分类号ITB43I0482.54文献标识码IA文章编号I1000-2162(2004)04-0038-05近几年稀磁半导体材料由于将载流子的荷电性和自旋集于一身有望用来制作新型功能器件比如记忆元件探测器和光发射源等等引起人们极大的兴趣人们努力将磁性和半导体现象整合起来以便应用和解释新现象传统的集成方法就是用磁性离子如2+2+2+MnFeCr掺入非磁半导体中I-V族稀磁半导体已经被广泛地研究GaMnAS表1现出最高的居里温度110K且认

3、为铁磁有序是由Mn掺杂产生的空穴载流子引起的显2然用此材料制成的微电子器件还不能在室温下工作Sato等人于2000年通过电子结构计算证明了过渡金属原子FeCoNiVCrMn掺入Zn0中其磁距表现为铁磁有序同3年DietI等人的理论计算也表明Mn掺杂的Zn0在室温将表现出铁磁行为Zn0基材料体系中铁磁行为在理论上的发现意味着人们有可能制备出新型Zn0透明铁磁材料这将对磁光器件在工业上的应用产生深远的影响因此对I-V族化合物中的Zn0磁性方面的研究开始受到人们的重视要实现Zn0稀磁半导体薄膜材料在磁光器件上的应用关键在4于制备出这样的材料K.ueda用脉冲激光沉积法制备了分别掺Co

4、NiMn和Cr的Zn0薄膜发现仅掺Co的Zn0膜具有室温铁磁性且其磁性质的重复率很低S.W.Jung等5人通过激光分子束外延技术制备了Mn掺杂的Zn0薄膜发现其在低温下具有铁磁性最高居里点为45K综合上述作者认为若使Zn0材料体系获得实际应用关键在于提高材料的居里点至室温和稳定其磁性能对Zn0薄膜材料而言掺杂元素的种类和含量对其磁67性能有重要影响根据文献提供资料掺杂元素组和含量选定后Zn0薄膜材料的磁性能将取决于其制备工艺因此研究用电子束蒸镀法制备具有铁磁性的Zn0.80Co0.15Mn0.050薄膜的衬底温度条件探讨薄膜的铁磁行为与衬底温度和晶体结构的关系收稿日期I2003

5、-12-17基金项目I安徽省科技厅年度重点基金资助项目01041188安徽省省级重点课程普通物理建设基金资助项目作者简介I刘艳美1971-女江苏丰县人安徽大学讲师硕士.第4期刘艳美等钴锰掺杂氧化锌薄膜的制备和特性研究391薄膜制备及测试1.1电子束蒸镀用Zn0.80Co0.15Mn0.050靶材的制备取纯度分别为98.5%99.5%和85%的Co203粉末Zn0粉末和Mn02粉末按一定量的化学计量比混合放入玛瑙研钵内充分研磨所得粉末样品在大气中900C预烧10h然后将烧结后研磨好的粉末压成直径为1.5"的圆片再放入烧结炉中于1100C保温10h自然降温得到镀膜用的靶材将其XRD

6、衍射谱与Zn0的标准谱ASTM卡号36-1451进行对比如图1所示可以看出靶材的所有衍射峰都与标准谱峰基本吻合表明靶材是Zn0.80Co0.15Mn0.050单相固溶体无杂相生成还可以看到靶材的衍射峰位略向大角方向偏移这正是由于掺杂相对较多半径较小的Co离子取代半径较大的Zn离子所致图1Zn0.80Co0.15Mn0.050粉末的XRD谱图1.2Zn0.80Co0.15Mn0.050薄膜的制备将烧结好的Zn0.80Co0.15Mn0.050圆片作为靶采用电子束蒸发沉积成膜工艺在单晶-4Si111衬底上制备Zn0.80Co0.15Mn0.050薄膜蒸发室本底真空度为6x10Pa源

7、基距为20cm平均沉积速率为2/S样品架旋转速率10转/分在温度分别为200C300C400C和500C的衬底上制得薄膜薄膜厚度通过FTMIIIB型晶体振荡膜厚监控仪进行监控膜厚均为30001.3XRD测试用MXP18AHF型转靶X射线衍射仪日本制对Zn0.80Co0.15Mn0.050粉末和薄膜进行了测试分析测试条件为Cuka辐射波长1.54056管压为40kV管流为100mA采用薄膜附oo件以固定的掠入射角进行2扫描扫描步长为0.02扫描速度为4.00/min狭缝系统oDS=0.15SS