阮凱斌，劉銀春，吳義炳

（福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

摻碳氧化鋅薄膜的鐵磁性

阮凱斌，劉銀春，吳義炳

（福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

采用磁控濺射方法在Al2O3（0001）和Si（100）襯底上制備摻碳氧化鋅薄膜，濺射薄膜時襯底溫度為550°C.實驗結(jié)果顯示，制備的摻碳氧化鋅薄膜樣品在Al2O3（0001）單晶襯底上結(jié)晶質(zhì)量更好.在室溫下，所制備的薄膜皆出現(xiàn)鐵磁性，且在Si（100）襯底上制備的樣品具有更大的飽和磁化值.實驗結(jié)果表明氧空位缺陷對摻碳氧化鋅薄膜的鐵磁性起源有很重要的影響.

稀磁半導(dǎo)體；摻碳氧化鋅；鐵磁性

1 前言

稀磁半導(dǎo)體（Diluted magnetic semiconductors,DMS）由于在自旋電子學(xué)中的潛在應(yīng)用而受到廣泛的關(guān)注[1-3].已有的研究表明在氧化物半導(dǎo)體材料中摻入3d轉(zhuǎn)換金屬可在室溫下觀察到鐵磁性[4,5].但是，這些摻雜轉(zhuǎn)換金屬的DMS材料通常存在雜相或是團簇，其鐵磁性出現(xiàn)的物理機制還沒被研究清楚，導(dǎo)致這類材料在器件應(yīng)用方面的發(fā)展受到限制.因此，便有學(xué)者提出采用非過渡磁性金屬離子摻雜的稀磁半導(dǎo)體材料[6].這類新型的所謂“d0鐵磁體”DMS材料不會出現(xiàn)上述提及的摻雜轉(zhuǎn)換金屬的DMS材料的問題.這可為進一步研究氧化物稀磁半導(dǎo)體材料的鐵磁性起源提供很好的機會.最近，Pan等報導(dǎo)碳摻雜的氧化鋅在理論上和實驗上都被證明是室溫的DMS材料[7]，可能是一種可用于自旋器件的潛在有用材料.他們認(rèn)為，DMS材料中鐵磁性的起源是以材料中的空穴為中介的.但是，也有不同的觀點認(rèn)為其鐵磁性的起源與碳所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān).所以，這類材料的鐵磁性起源仍然不清楚.在將這類材料應(yīng)用于自旋器件之前，有必要對“d0鐵磁體”DMS材料的磁性機制作進一步的研究.本實驗采用磁控濺射的方法制備了摻碳氧化鋅薄膜（ZnO：C），并研究影響其鐵磁性起源的因素.

2 實驗過程

ZnO：C薄膜采用磁控濺射的方法生長在Si（100）和Al2O3（0001）單晶襯底上,溫度為550°C.實驗時加在ZnO靶的功率為50W，而加在C靶上的功率為3W.薄膜沉積之前，真空腔的壓強保持在4×10-6Pa以下.而在鍍膜時通入Ar氣，壓強保持在1.5Pa.

ZnO/Si（100）的XRD測試由Bruker AXS:D8 ANDVANCE完成，測試電流和電壓分別是40mA和40kV.而外延生長在Al2O3（0001）單晶襯底上的ZnO薄膜由Philips公司生產(chǎn)的X’pert-MRD高分辨XRD進行測試.薄膜的表面形貌用Veeco公司生產(chǎn)的原子力顯微鏡NanoScope IIIa觀察.薄膜的磁性能測試采用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的綜合物性測量系統(tǒng).測量時溫度保持在300K，而所加的磁場方向平行于薄膜表面，磁場強度范圍為-1T～1T.

3 實驗結(jié)果與討論

圖1所示是550°C下生長的ZnO薄膜的XRD圖.其中圖1（a）是Al2O3（0001）單晶襯底上的ZnO薄膜樣品，而圖1（b）是Si（100）襯底上的樣品.從圖1（a）可以看出，ZnO薄膜在Al2O3（0001）襯底上呈高度的c軸取向.其中的插圖是ZnO（002）衍射峰的放大圖.其半高寬（FWHM）值為0.8°.而ZnO薄膜在Si（001）襯底上則是比較明顯的隨機取向.樣品中皆沒有發(fā)現(xiàn)雜相的存在，表明在550°C下ZnO薄膜還不會與襯底發(fā)生明顯的反應(yīng).從ZnO薄膜在兩種不同襯底上的XRD圖可以看出，ZnO在Al2O3（0001）襯底上得到比較好的外延生長，其結(jié)晶質(zhì)量高于在Si襯底上的薄膜.

圖2是ZnO薄膜的AFM圖其中圖2（a）的薄膜樣品生長于Al2O3（0001）單晶襯底，而圖2（b）的樣品生長于Si（100）襯底上的.測量時所選擇掃描的區(qū)域大小為2.0×2.0μm2.從圖中2可看出，ZnO薄膜的表面非常平整，顆粒大小也比較一致.其中，Al2O3（0001）襯底上的ZnO薄膜的表面粗糙度值Rq=1.08nm，而Si（100）襯底上的樣品的Rq=3.60nm.可以看出，相比Si（100）襯底上生長的ZnO薄膜，在Al2O3（0001）襯底上的ZnO薄膜的晶粒更大，而表面也更為平整.

圖2 ZnO薄膜的AFM圖

圖3所示是ZnO：C薄膜的磁化強度曲線（M-H曲線）.其中襯底的抗磁性部分已經(jīng)從M-H曲線中扣除.測量時所用磁場強度范圍為-1T～1T.從圖3可以看出，ZnO：C薄膜在室溫下是鐵磁性的.這里，材料的鐵磁性不會直接起源于非磁性的碳原子的聚集.而對于ZnO材料，Zn3+和O2-都是非磁性的.對于純的ZnO薄膜，本實驗中無論是室溫下還是高溫下制備的樣品都沒觀察到鐵磁性的產(chǎn)生.所以薄膜材料的鐵磁性也不是直接來自ZnO薄膜本身.一般認(rèn)為，氧缺陷跟很多氧化物DMS材料的鐵磁性起源密切相關(guān).在報道的文獻(xiàn)中，就有在高氧缺陷的TiO2,In2O3,HfO2等氧化物半導(dǎo)體材料中觀察到鐵磁性的情況[8].在這些氧化物DMS材料中，其鐵磁性的起源可大致用以下模型解釋：如果在材料中有足夠多的缺陷如氧空位存在，它們可形成一個不純的價帶.如果這個價帶中的態(tài)密度足夠大，Stoner判據(jù)D（Ef）I>1的條件就有可能得到滿足.此時，價帶中自發(fā)的自旋劈裂將會發(fā)生，導(dǎo)致鐵磁性的產(chǎn)生.這里，D（Ef）表示費米能級處的態(tài)密度，而I表示交換相互作用的強度.在本實驗中，我們認(rèn)為ZnO：C薄膜的鐵磁性起源跟氧空位缺陷有關(guān).在ZnO：C薄膜中，由于碳原子部分取代氧原子，C2p態(tài)將與Zn3d態(tài)耦合.Zn原子中d軌道的一個電子轉(zhuǎn)移到碳原子的p軌道，形成一個未完全填滿的d態(tài)，這導(dǎo)致了局域化的磁矩產(chǎn)生.這些局域化的磁矩與周圍由氧空位產(chǎn)生的電子相互作用，形成磁極化子.如果材料中氧缺陷不足，相鄰的極化子將距離較遠(yuǎn)而不能相互作用，這樣系統(tǒng)將不能產(chǎn)生鐵磁性；反之，氧缺陷濃度足夠大時，磁極化子可彼此交疊從而產(chǎn)生鐵磁性.當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生更多的氧空位時，材料將表現(xiàn)更大的鐵磁性.從上面的XRD圖以及AFM圖，ZnO薄膜在Al2O3（001）單晶襯底上生長質(zhì)量比較好，相應(yīng)的其薄膜比在Si襯底上生長的ZnO薄膜缺陷會更少，這將導(dǎo)致其表現(xiàn)出較小的鐵磁性.圖3所示即為兩種襯底上ZnO薄膜的鐵磁性的比較.從圖中可以清楚地看出Si襯底上生長的ZnO薄膜的鐵磁性更大.這個實驗結(jié)果與我們之前的文獻(xiàn)報道也是符合的[9]，即薄膜系統(tǒng)中氧空位缺陷與ZnO：C薄膜的鐵磁性起源有直接的關(guān)系.

4 結(jié)語

本實驗采用磁控濺射方法在Al2O3（001）和Si（100）襯底上制備了摻碳的ZnO薄膜.XRD和AFM的結(jié)果顯示在Al2O3（001）襯底上的薄膜外延質(zhì)量較好.室溫下，不同襯底上所制備的ZnO：C薄膜樣品皆呈現(xiàn)鐵磁性，且Si（100）襯底上制備的薄膜的鐵磁性更強.從本實驗中所觀察到的現(xiàn)象可看出，ZnO：C薄膜的鐵磁性起源與樣品中氧空位缺陷有直接的關(guān)系.

〔1〕Matsumoto Y,Murakam i M,Shono T,et al.Room-Temperature Ferromagnetism in Transparent Transition Metal-Doped Titanium Dioxide[J].Science,2001,291:854-856.

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TN304

A

1673-260X（2011）11-0138-02

福建省自然科學(xué)基金（2011J05122）