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退火气氛对脉冲激光沉积制备的Zn0信息工程

2013-07-02 01:11

　　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(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 薄膜的铁磁有序的来源。

　　2. 实验

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　　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 = 248 nm 和 τ = 25 ns)被用来对靶材进行烧蚀。其能量密度和频率分别为250 mJ/pulse 和 10 Hz。本底真空度约为10-4 帕。在沉积过程中，衬底温度保持在873 K ，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20 Pa 的氧气和真空中973 K 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（Bruker D8）来表征。薄膜的表面形貌用场发射扫描电镜（JEOL JSM-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（Accent HL5500）测量。

　　3. 结果与讨论