Fe摻雜ZnO基稀磁半導體微結構和鐵磁性的研究.pdf

1、ZnO作為一種性能優(yōu)良的寬帶隙半導體材料，具有較高居里溫度以及室溫鐵磁性而成為制備稀磁半導體的重要材料之一，因過渡金屬摻雜的ZnO基稀磁半導體材料同時具備電子的電荷特性和自旋特性，使其在自旋電子學和光電子領域具有廣泛應用前景。利用其電學性質可制作高速緩沖存儲器；利用其磁學性質可制作出永久性信息存儲器，使其有望成為新一代信息存儲的載體。本論文利用磁控濺射制備了Fe摻雜ZnO半導體樣品，研究了Fe的摻雜量、退火溫度、退火氣氛對樣品的微結構和

2、室溫鐵磁性的影響，將納米薄膜的微結構缺陷和鐵磁性聯(lián)系起來，對Fe摻雜ZnO納米薄膜室溫鐵磁性的來源進行了解釋。
　　1.采用磁控濺射法在Si襯底上制備了純ZnO和Zn1-xFexO(x=1.0％，3.0％，5.0％，7.0％)納米薄膜，分別在真空和空氣中用不同溫度對樣品進行退火處理后得到Fe摻雜ZnO稀磁半導體納米薄膜材料。利用X光衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、以及X射線光電子能譜儀（XPS）和振動

3、樣品磁強計（VSM）對樣品的微結構、表面形貌、元素成分、元素化學價態(tài)和室溫鐵磁特性進行測試。
　　2.XRD測試結果表明，樣品均為六角纖鋅礦結構，沿c軸擇優(yōu)生長，F(xiàn)e摻雜量和退火溫度對薄膜微結構有一定程度的影響，隨著Fe摻雜量的增加，樣品的衍射峰強度先增大后減小，薄膜中的應力逐漸增大，晶粒尺寸逐漸減??；當退火溫度為450oC時，出現(xiàn)了最強的(002)衍射峰，晶粒大小變?yōu)樽畲?，薄膜的結晶度和取向性都明顯變好，之后隨著退火溫度的上升薄

4、膜晶粒變小，衍射峰強明顯變弱。利用SEM對樣品表面形貌和斷面觀測結果表明，F(xiàn)e的摻雜能提高ZnO:Fe納米薄膜的晶粒均勻性和表面致密性；隨著退火溫度的升高，薄膜表面平整性逐漸改善，晶粒變大，但大小仍不均勻。薄膜厚度隨著摻雜濃度的增大先增加后減小，退火溫度和氣氛對薄膜的生長有一定的影響，空氣中450℃溫度退火時薄膜平均厚度為最大。通過對其EDS譜的分析，確定我們成功將Fe摻入ZnO納米薄膜中，并且XPS分析發(fā)現(xiàn)Fe在薄膜中以Fe2+和Fe

5、3+兩種價態(tài)存在。
　　3.利用 VSM對薄膜的鐵磁性進行了測量，結果表明所有樣品均出現(xiàn)一條 S形的完整的磁滯回線，說明具有較明顯的室溫鐵磁性。Fe元素的摻雜量、退火溫度、退火氣氛均對薄膜鐵磁性有一定程度的影響。隨著Fe元素的摻雜量增加，薄膜飽和磁化強度逐漸減小，但仍大于純 ZnO薄膜的飽和磁化強度；隨著退火溫度的上升，薄膜磁化強度有逐漸增大的趨勢；空氣中退火的樣品磁化強度均小于純 ZnO薄膜的磁化強度。對其鐵磁性用缺陷與周圍的磁