退火气氛对脉冲激光沉积制备的Zn0信息工程(2)

　　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Co 2p 峰的高分辨扫描X 射线光电子能谱。Co 2p3/2 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Co 2p3/2 和 2p1/2 中心峰位分别位于781.4 eV 和796.9 eV 处，它们的卫星峰位分别位于786.5 eV 和 802.7 eV 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，Co 2p3/2 峰位的结合能应为778 eV[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O 1s 的高分辨扫描X 射线光电子能谱。可以看到O 1s 可以拟合成2 个成分，其中~ 530 eV 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~ 532 eV 处的峰和氧缺乏区域中的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Zn0.92Co0.08O 薄膜是在真空环境下生长的，所以氧空位很容易产生。

　　并且X 射线光电子能谱的结果表明我们的制备态Zn0.92Co0.08O 薄膜中存在大量的氧空位缺陷。另一方面，一般说来，在氧气中退火能够减少氧空位浓度从而降低导电率。同样，在真空中退火能够增加氧空位浓度从而增加导电率，这是由于电子的电荷补偿。于是我们将制备态的样品分别在氧气氛和真空中进行后退火处理的动机就是为了研究氧空位对于样品磁性能的影响。图5 显示了制备态和退火后薄膜的室温M-H 曲线图。明显的磁滞回线表明样品具有室温铁磁性。可以看到制备态Zn0.92Co0.08O 薄膜的饱和磁化强度为6.3 emu/cm3。当将其在真空中进行退火，