氧化鋅薄片、孿晶的制備及錳摻雜氧化鋅的磁性和拉曼散射.pdf

1、氧化鋅納米材料在紫外激光器、場效應管、傳感器、光電二極管、壓電電子學、透明導電薄膜、太陽能電池和自旋電子學領域中均有潛在應用。本文涉及的氧化鋅納米材料均是通過氣相輸運冷凝法制備的，主要研究了如何通過金屬催化劑調(diào)控氧化鋅納米材料的維度，如何通過金屬合金催化劑調(diào)控氧化鋅納米材料中的缺陷，如何通過錳摻雜調(diào)控氧化鋅中的電子、聲子和自旋之間的耦合進而改變氧化鋅的光學和磁學性質(zhì)。本文分為五章。
　　在第一章里，我們回顧了半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程和

2、氧化鋅的研究進展并給出本文的切入點與主要內(nèi)容。
　　第二章主要涉及準二維氧化鋅納米薄片的制備、表征和器件應用。我們通過銀納米顆粒催化制備了10nm厚的氧化鋅納米薄片。常溫熒光光譜顯示可見峰位于650 nm，變溫熒光譜表明低溫下發(fā)光由施主雜質(zhì)貢獻的束縛激子發(fā)光主導。利用電子束光刻技術制備了基于氧化鋅納米薄片的場效應管。研究發(fā)現(xiàn)在吸附氧存在的情況下，器件呈現(xiàn)N增強型，具有可達到～108的開關比和254cm2/Vs的場效應遷移率，載流子

3、濃度為～1018 cm3;在沒有氧氣吸附的情況下，具有～250 cm2/Vs的場效應遷移率和載流子濃度為～1020cm3，而開關比僅有5。上述結果表明:這種準二維氧化鋅納米薄片可以形成空間受限二維電子氣，但是由于氧化物表面豐富的缺陷使得二維電子的密度過大，難以通過門電壓調(diào)控;若表面吸附一層氧氣分子，表面耗盡可以有效降低二維電子氣的密度，從而呈現(xiàn)可被門電壓調(diào)控的優(yōu)異性能。最后我們對氧化鋅納米薄片F(xiàn)ET器件的進一步優(yōu)化進行了展望。
　

4、　在第三章里，我們通過采用5 nmAu和5 nmAg復合膜制備的合金作為催化劑，誘導生長出氧化鋅納米孿晶薄片，高分辨表征證實其為[2-1-10]/{10-13}孿晶。一系列的對比實驗顯示:在鋅蒸汽過飽和度低的情況下，即使有AgxAu1-x合金存在，也不會有二維孿晶生成;單獨應用10 nmAu和10 nm Ag做為生長襯底以及不用任何催化劑的情況下均不能制備孿晶結構。因此，高的鋅蒸汽濃度和AgxAu1-x合金催化作用是孿晶成核的必要條件。

5、此外，通過改變催化劑中不同的Au-Ag比率可以發(fā)現(xiàn)，在Ag0.67Au0.33合金襯底上獲得孿晶的產(chǎn)率明顯大于Ag0.33Au067合金襯底。與已報道的孿晶氧化鋅納米結構的制備需要較高的溫度(～900℃)相比，我們的孿晶納米片的制備僅需要相對較低的溫度(～650℃)，表明AgxAu1-x合金能有效降低氧化鋅的層錯能。
　　在第四章里，我們制備了不同摻雜濃度的錳摻雜氧化鋅納米結構，通過對系列樣品的室溫PL表征，發(fā)現(xiàn)隨著錳摻雜濃度的升

6、高，氧化鋅中同氧空位相關的可見發(fā)光峰強先增強后減弱，這一結果與XPS表征的材料中的氧空位濃度并不一致。價帶譜顯示錳摻雜引起了一個氧化鋅帶間的雜質(zhì)能帶，其位于導帶底下2.2 eV左右。結合氧化鋅的紫外峰強隨錳摻雜濃度的增強而減弱的實驗事實，我們認為錳摻雜導致的雜質(zhì)能帶提供了額外的無輻射躍遷通道，使得氧化鋅自由激子的壽命變短，導致紫外光強單調(diào)減少，而可見光強的變化來源于兩種無輻射躍遷通道的競爭。另一方面，隨著錳摻雜增加，氧化鋅紫外發(fā)光峰位發(fā)

7、生藍移，表明錳成功摻入到氧化鋅晶格中。此外，我們還觀察到錳摻雜氧化鋅中存在室溫鐵磁性，低溫順磁性的反常磁性行為，可能源于載流子誘導的鐵磁行為。對低溫順磁性的分析發(fā)現(xiàn)，大部分錳離子是以錳-錳反鐵磁對的形式存在的，其余的以孤立的順磁離子形式存在。
　　在第五章里，我們發(fā)現(xiàn)錳摻雜氧化鋅材料的拉曼光譜中存在錳相關振動模式的共振效應。在514.5 nm激光激發(fā)下，錳相關振動模式顯示有多級散射峰。通過表征不同波長激光激發(fā)下拉曼光譜，驗證了多聲

8、子散射的共振拉曼特性，顯示了多級聲子散射拉曼過程涉及真實的電子態(tài)躍遷。這一躍遷對應錳離子在外界光激發(fā)下的離化過程:錳離子的一個d軌道電子被激發(fā)到氧化鋅導帶，同時產(chǎn)生一個局域化的束縛激子，激子回到初態(tài)時，其能量一部分發(fā)射一個光子，另一部分通過多聲子散射過程耗散掉。變溫拉曼光譜研究發(fā)現(xiàn)多聲子散射的截面隨溫度呈現(xiàn)T-1/2變化。最后我們討論了光離化錳離子改變晶格自旋電荷相互作用的可能機制，并對楊-泰勒效應在多聲子過程中以及錳-錳離子對的雙交換