摘要：氧化锌(ZnO),一种新型Ⅱ—Ⅵ族半导体材料,具有禁带宽、激子束缚能高和近紫外光发射强等优点,在半导体器件等方面有着广泛的运用前景。为了实现ZnO的实际运用,必须通过掺杂技术来调控ZnO的物理性质。本论文通过掺杂过渡金属元素Mn来制备稀磁半导体和通过掺杂N来制备P型ZnO。稀磁半导体能够实现电荷和自旋的同时操纵,在自旋电子学领域有广阔的运用前景,近年来受到越来越多的关注。在这类探讨中,由于Mn掺杂ZnO稀磁半导体可以注入数量很大的自旋载流子,由此一直是稀磁半导体领域的探讨热点。迄今为止,尽管有许多关于Mn掺杂ZnO室温铁磁性的报道,但铁磁性是来源于Mn的替位效应还是Mn在ZnO中的偏析物,一直有着较大争议,究其理由是常规浅析手段(如普通XRD)很难探测到ZnO稀磁半导体中低浓度磁性离子Mn的详细结构信息。本论文采取高灵敏度的同步辐射X射线衍射(SR-XRD)和X射线吸收精细结构谱(XAFS)技术,并结合质子激发X射线荧光(PIXE)和超导量子干涉仪(SQUID)等策略,得到一些有价值的结果：1、用射频反应磁控溅射策略在蓝宝石衬底上制备了一系列不同生长条件的Mn掺杂ZnO薄膜,SQUID测试表明这些样品均具有室温铁磁性。2、PIXE和SR-XRD结果表明样品中没有Fe、Co、Ni等其它铁磁性杂质和Mn团簇或MnO、MnO2、Mn2O3、Mn3O4等二次相,ZnO:Mn薄膜具有纤锌矿ZnO结构。3、EXAFS结果表明Mn原子是通过替代Zn原子而进入了ZnO晶格。根据微观结构浅析,铁磁性应是来源于Mn的替位效应。由于本征缺陷导致的自补偿效应,使得ZnO的p型掺杂异常困难,而ZnO器件(如同质PN结)强烈依赖于高质量p型ZnO的制备。论述计算表明N在ZnO中是一种较好的受主元素,可以实现ZnO的p型掺杂。N在ZnO中的溶解度很低,传统策略很难有效地实现N元素的P型掺杂。本论文利用热氧化Zn3N2的策略实现N在ZnO中的高浓度P型掺杂,并利用卢瑟福背散射(RBS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和霍尔测试(Hall)得到一些有作用的结果：1、用射频反应磁控溅射策略制备了Zn3N2薄膜,然后在不同温度下、氧气气氛中退火。RBS和XRD探讨了不同热氧化温度下薄膜的结构变化,结果表明退火温度高于300℃时,发生了Zn3N2到ZnO的相变,温度为700℃时薄膜和衬底界面间发生了反应。2、XPS探讨了不同热氧化温度下薄膜中N的含量和价态的变化,结果表明退火温度越高,N含量越少；N在氧化后的样品中是处于替代O的位置而有着的。3、Hall测试表明热氧化温度为400℃、500℃和600℃时,导电性实现了以n型到p型的翻转,掺入的N在ZnO中成为有效的受主。关键词：ZnO:Mn稀磁半导体论文p型ZnO:N论文射频磁控溅射论文同步辐射技术论文
摘要5-7
Abstract7-9
第一章 绪论9-20
1.1 探讨背景9-10
1.2 稀磁半导体10-13
1.2.1 稀磁半导体的定义10-11
1.2.2 稀磁半导体探讨概况11-12
1.2.3 稀磁半导体的成磁机理讨论12-13
1.3 ZnO：Mn稀磁半导体13-16
1.3.1 ZnO介绍13-15
1.3.2 ZnO：Mn稀磁半导体探讨概况15-16
1.4 p型ZnO的探讨概况16-17
1.5 热氧化Zn_3N_2薄膜制备p型ZnO薄膜17-18
1.5.1 Zn_3N_2介绍17
1.5.2 热氧化Zn_3N_2薄膜制备p型ZnO：N薄膜探讨概况17-18
1.6 论文的选题依据和探讨内容18-20
第二章 样品的制备策略与表征手段20-25
2.1 样品的制备策略20-21
2.1.1 磁控溅射介绍20-21
2.1.2 制备条件21
2.2 样品的表征21-25
2.2.1 粒子激发X射线荧光(PIXE)21-22
2.2.2 X射线衍射(XRD)和同步辐射X射线衍射(SR-XRD)22
2.2.3 X射线吸收精细结构谱(XAFS)22-23
2.2.4 超导量子干涉仪(SQUID)23
2.2.5 卢瑟福背散射(RBS)23
2.2.6 X射线光电子能谱(XPS)23
2.2.7 霍尔测试(Hall)23-25
第三章 ZnO：Mn稀磁半导体薄膜的制备、结构和磁性探讨25-40
3.1 引言25
3.2 样品的制备25-26
3.3 外束PIXE浅析薄膜中的Mn含量26-27
3.4 样品微观结构浅析27-37
3.4.1 SR-XRD确定薄膜的结构27-31
3.4.2 XAFS探讨Mn的局域结构31-37
3.5 SQUID测量薄膜的磁性37-39
3.6 总结39-40
第四章 热氧化Zn_3N_2薄膜制备p型ZnO：N薄膜40-47
4.1 引言40
4.2 样品的制备40-41
4.3 热氧化法制备的ZnO：N薄膜的结构浅析41-45
4.3.1 RBS浅析41-43
4.3.2 XRD浅析43-44
4.3.3 XPS浅析44-45
4.4 热氧化法制备的ZnO：N薄膜的电学性质浅析45-46
4.5 总结46-47
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