Cu掺杂ZnO薄膜结构及性能的研究

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ZnO是继GaN之后的新型半导体材料,具有3.37eV的禁带宽度以及高达60meV的激子束缚能,其自身性质决定了它在光电、声电、压电领域的广泛应用。近年来,随着巨磁阻效应的发现,稀磁半导体(Diluted MagneticSemiconductors-DMSs)材料开始得到人们的重视,2000年,Dietl等人从理论上预言ZnO有可能成为居里温度高于室温的稀磁半导体材料,由此掀起对ZnO基稀磁半导体的研究热潮。本文通过直流—射频反应共溅射的方法制备Cu掺杂ZnO(ZCO)薄膜,主要研究内容及结论如下:(1)利用磁控溅射法在玻璃衬底上制备Cu掺杂ZnO薄膜,并研究Cu靶的溅射功率以及氧分压对薄膜结构和光电性能的影响。XRD检测结果表明,所有掺杂样品均有较强的c轴择优取向,随着Cu靶溅射功率的增大,薄膜的结晶质量有所提高,超过一定范围开始降低,富氧条件有利于提高样品的结晶质量。样品的光透过率检测结果表明,随Cu靶溅射功率的增大,薄膜的光透过率减小;增大氧分压,样品的光透过率得到改善。在对样品电学特性的检测过程中发现,Cu的掺入使薄膜的导电类型发生了由n型向p型的转变,且富氧条件有利于这种转变。(2)采用磁控溅射的方法在石英衬底上制备Cu掺杂的ZnO薄膜。并研究AZO(掺有2wt%Al2O3的ZnO)缓冲层以及不同气氛下退火处理对薄膜结构、电学特性以及磁性的影响。通过各项表征我们发现,缓冲层的引入以及后续的退火处理均改善了薄膜的结晶质量,但缓冲层不利于磁性的产生。空气退火使样品中氧空位大量减少,磁性减弱;真空退火使样品中氧空位得以保存,磁性增强。所有掺杂样品均成p型导电,但样品中载流子浓度不高,电阻率较大,载流子浓度对样品的磁性影响不明显,因此对于本实验中样品磁性的产生机制,我们认为用束缚磁极化子模型来解释具有一定的合理性。
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