衬底温度对脉冲激光沉积在Si衬底上Zn0.95Co0.05O薄膜的影响

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2012 年第 16 期（ 43 ） 卷
*ห้องสมุดไป่ตู้
衬底温度对脉冲激光沉积在 Si 衬底上 Zn0． 95 Co0． 05 O 薄膜的影响
1 1 1 1 2 姜守振 ， 王传超 ， 满宝元 ， 许士才 ， 王善朋
（ 1． 山东师范大学 物理与电子科学学院 ， 山东 济南 250014 ； 2． 山东大学 晶体材料国家重点实验室 ， 山东 济南 250100 ） 摘 要： 在不同的衬底温度下在 n 型 Si（ 111 ） 衬底上 采用脉冲激光沉积的方法生长了 （ 002 ） 择优取向的具 有室温铁磁性的 Zn0． 95 Co0． 05 O 薄膜。 X 射线衍射显示 所生长的薄膜呈六方纤锌矿结构。 X 射线光电子能谱 测试表明薄膜中出现的室温铁磁性不是由于 Co 团簇 产生的。发现薄膜生长过程中产生的间隙锌、 氧空位 以及晶格缺陷对铁磁性有显著的影响 。 通过改变衬底 温度可以控制薄膜中间隙锌、 氧空位及晶格缺陷的数 薄膜的铁磁性同时也可以被明显地改变 ， 这是缺陷 量， 与薄膜的室温铁磁性相关的直接证据 。 关键词： ZnCoO； 铁磁； 脉冲激光沉积； 温度 中图分类号： O782 ； TN304 文献标识码： A 9731 （ 2012 ） 16222204 文章编号： 1001-
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引
言
由于自旋电子器件具有非易失性、 数据处理速度 低能耗和高的存储密度等优点， 自旋电子学吸引了 快、 ［14 ］ 。 大批研究者的目光 而自旋电子器件的进一步发 ［5 ， 6 ］ 。 稀磁半导 展紧紧依赖于稀磁半导体材料的开发 体是通 过 在 半 导 体 材 料 中 掺 杂 少 量 磁 性 元 素 形 成 ［7 ］ 的 。生长ⅡⅥ族的稀磁半导体材料， 例如在蓝宝石 ［8 ， 9 ］ ［10 ］ 衬底上沉积 Co 掺杂的 ZnO 和 V 掺杂的 ZnO 已 ZnO 是稀磁半导 经被报道。在ⅡⅥ族半导体材料中， 体材料基体的最好候选材料。 在大多数的研究中， 蓝 宝石由于与 ZnO 纤锌矿结构之间存在较小的晶格失 配而被广泛地当作衬底使用。但是使用蓝宝石会使器 件的制作过程变得复杂， 因为蓝宝石是绝缘材料并且 难以刻蚀。这一困难可以通过使用 Si 衬底得以解决。 另外， 从实现与现阶段的 Si 基器件整合来看， 在 Si 衬 底上生长高质量的 ZnCoO 薄膜也是非常必要的。 稀磁半导体材料中铁磁性的起源尚不明确 。 一些 研究者认为在 Co 掺杂的 ZnO 稀磁半导体中铁磁性是 ［1113 ］ 。 而另一些研究者 由于材料中出现了 Co 的团簇 ［14 ］ 提出铁磁性是由于 RKKY 间接交换作用 或双交换 ［15 ］ ［16 ］ 作用 或束缚磁极化子 产生的。 在本文中， 通过 改变沉积时衬底的温度， 说明了 Co 掺杂的 ZnO 薄膜 的室温铁磁性与缺陷有关， 并且对薄膜的结构和磁性 进行了表征。
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实
验
实验 中 所 使 用 的 Co 掺 杂 的 ZnO 靶 材 （ Co 含 量 5% ） 是用传统的固相反应方法制备的。 高纯的 ZnO 和 Co3 O4 粉末（ ＞ 99． 9% ） 按一定比例称量后混合， 并 将混合物用乙醇湿润后在玛瑙研钵中充分研磨 。 最后 将研磨好的粉末冷压后煅烧即得到所需的靶材 。 采用脉冲激光沉积技术在 Si （ 111 ） 衬底上生长了 Zn0． 95 Co0． 05 O 薄膜。 沉积前先将生长室内的真空度用
－5 涡轮分子泵抽至 ＜ 10 Pa， 然后冲入高纯 O2 。 沉积时 －3 生长室内的氧压维持在 10 Pa。波长为 248nm 的 KrF 脉冲激光作为激光源， 频率 10Hz， 能量 200mJ。沉积时 沉积时间为 10min。 衬底温度在 300 600ħ 之间变动， 将 Si 衬底依次在丙酮、 乙醇中超声清洗， 然后用去离 子水冲洗干净。 样品的结构表征采用以 Cu Kα 射线作为辐射源 RigakuD / maxrB ） ； 样品的表面 的 X 射线衍射仪（ XRD， PARK Autopro形貌表 征 采 用 原 子 力 显 微 镜 （ AFM， becp） ； 样品中 Co 元素的价态表征采用 X 射线光电子 PHI5300 ） ； 样品的磁性采用交流梯度磁力 能谱 （ XPS， MicroMag ） ， 计（ AGM， 所加磁场垂直于样品表面。 以 上所有的测试都是在室温下进行 。
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实验结果与分析
图 1 （ a） 所示为在不同的衬底温度下沉积在 Si 衬 底上的 Zn0． 95 Co0． 05 O 薄 膜 的 X 射 线 衍 射 图 样。 图 1 （ b） 是（ 002 ） 峰的摇摆曲线。为了避免位于约 28ʎ 处的 来自于 Si（ 111 ） 衬底的高强度衍射峰的出现， 对所得 样品在 30 50ʎ 范围内进行了 X 射线衍射分析。 XRD 结果只显示了一个相应于 ZnO（ 002 ） 晶面的窄的强峰， 表明生长的所有样品都是单相的纤锌矿结构。 从图 1 （ b） 可以看到， （ 002 ） 峰的强 随着温度上升直到 500ħ ， 度不断增加并且半高宽不断减小， 但是当衬底温度升 （ 002 ） 峰的强度减小半高宽变大。 这表 高到 600ħ 时， Zn0． 95 Co0． 05 O 薄膜的结晶质量 明随着衬底温度的增加， 会不断提高， 在衬底温度为 500ħ 时沉积的薄膜结晶 质量最好， 但衬底温度过高又会导致结晶质量的下降 。 在薄膜生长过程中如果衬底温度过高， 薄膜表面的原 子动能较大， 原子就会由于过度迁移而偏离平衡位置 ，
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基金项目： 山东省高等学校科技计划资助项目（ J11LA14 ） ； 山东师范大学博士科研启动资助项目（ 3040110807 ） 0305 0427 收到初稿日期： 2012收到修改稿日期： 2012通讯作者： 满宝元 作者简介： 姜守振 （ 1977 － ） ， 男， 山东济宁人， 博士， 师承满宝元教授， 从事 PLD 制备半导体薄膜研究。