Cr掺杂ZnO薄膜的结构和性质研究

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氧化锌(ZnO)作为一种新的半导体材料越来越吸引更多研究人员的关注,它的晶格常数为a=0.32533 nm,c=0.52073 nm,ZnO具有六方纤锌矿结构,每个锌原子在四面坐标系里都被四个氧原子围绕着。由于(002)晶面的表面自由能最低,ZnO通常具有(002)取向性生长。同时由于它具有宽禁带(3.27eV)和高激子结合能(约60meV)等优良的性能,使它在光电器件领域具有广泛的应用前景。近年来过渡金属(TM—transition-metal)掺杂ZnO的稀磁半导体更是研究热点,更加展现了TM掺杂的ZnO的广阔的应用前景。采用CS-400型三靶射频磁控溅射仪在Si(111)和石英基片上成功制备了Zn1-xCrxO(x=0,0.03,0.09)薄膜,并对不同Cr掺杂量的ZnO膜进行了结构和光学性质的研究。薄膜的晶体取向和表面形貌用Rigaku D/Max-30C型X射线衍射(XRD)仪和HitachiS-4700型扫描电子显微镜(SEM)进行测量。XRD和SEM测试结果显示了Zn1-xCrxO(x=0,0.03,0.09)膜是单晶纤锌矿结构的,且具有良好c轴择优取向。随着Cr掺杂量的增多,晶粒尺寸减小,表面粗糙度下降,结晶质量变高,同时通过计算发现薄膜的晶格常数c也随之增加。利用JASCOV-570型紫外-可见光(UV-VIS)分光光度计来测量基片为石英的掺杂ZnO薄膜的透射或吸收光谱。在Zn1-xCrxO(x=0,0.03,0.09)薄膜的透射谱研究中,发现随着Cr含量的增加使得紫外区域的吸收边将产生Burstein-Moss移动。同时通过(ahv)2与hv关系图发现随着Cr掺杂量的增加,薄膜的带隙宽度Eg也随之增加。在样品的PL光谱上发现伴随着Cr掺杂量的增加,392nm近紫外峰逐渐消失了,而419nm处的蓝峰也逐渐蓝移,且强度减弱了。通过分析得出:(1)由于Cr元素的掺杂改变了ZnO薄膜的带隙能量,从而可能导致ZnO薄膜中存在的自由激子消失了,进而使得392nm处的近紫外发光峰消失了;(2)随着Cr含量的增加,薄膜的晶粒尺寸变小,从而导致量子效应增强,使该419nm处发光峰发生了蓝移。从样品的M-H图谱中很明显可以看出,在5K和300K下,样品Zn1-xCrxO(x=0.03,0.09)均显示出了磁性,并发现样品的磁化强度随着Cr掺杂量的增加而增大,并且样品在室温(T=300K)下的磁化强度要明显小于低温(T=5K)下的情况。分析认为样品Zn1-xCrxO(x=0.03,0.09)的磁性很可能来源于Cr替代Zn的双交换机制。
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