本文選題：n-p共摻雜　切入點：ZnO薄膜　出處：《山西師范大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：氧化鋅(ZnO)是一種重要的電子信息功能材料�；瘜W性質(zhì)穩(wěn)定,原料來源豐富,對環(huán)境友好,300 K下大的帶隙寬度等優(yōu)點使得ZnO在發(fā)光裝置、透明電極等領域有著巨大的應用前景。為了進一步擴大其應用范圍,人們經(jīng)常通過元素摻雜改善其性質(zhì),其中非補償n-p共摻雜就是一種有效的摻雜方法。相對于元素單摻雜,非補償n-p共摻雜不但可以提高元素固溶度,使ZnO獲得磁性,避免團簇和第二相磁性雜質(zhì)相的出現(xiàn),還可以有效的調(diào)節(jié)其帶隙,改善其電學性能。本論文以V/N和Cr/N為非補償n-p共摻對,采用脈沖激光沉積技術制備了一系列摻雜ZnO薄膜,系統(tǒng)的研究了V/N和Cr/N共摻雜對ZnO薄膜結(jié)構、輸運、磁性和光學性質(zhì)的的影響。主要研究內(nèi)容如下:(1)采用脈沖激光沉積技術在Al_2O_3(0001)基片上制備了一系列Zn_(1-x)V_xO和Zn_(1-x)V_xO/N(x=0,0.01,0.03,0.06)晶體薄膜,通過對比不同摻雜量對薄膜各性能的影響,闡釋了非補償n-p共摻雜在調(diào)控ZnO薄膜輸運、磁性和光學帶隙方面所發(fā)揮的優(yōu)勢與作用。研究結(jié)果表明,薄膜樣品結(jié)晶性良好,ZnO(002)面為主要晶面,沒有檢測到V金屬團簇及其氧化物。與N單摻雜相比,V/N共摻雜能夠有效增加N在ZnO基體中的固溶度,并且V在高摻雜含量時以V~(3+)和V~(4+)存在,在低摻雜含量時主要以V~(4+)存在。Hall測試表明薄膜均為n型半導體,Zn VO薄膜的載流子濃度可達1020cm-3,由于NO的補償作用,ZnVO/N薄膜的載流子濃度降至1019 cm-3,但仍大于純ZnO的載流子濃度。ZnVO/N比ZnVO薄膜有著更大的室溫飽和磁矩,其磁性同時受載流子濃度和氧空穴的調(diào)節(jié)。薄膜的光學帶隙與載流子濃度有關,在薄膜內(nèi)可能發(fā)生了Burstein-Moss效應。(2)利用脈沖激光沉積方法制備了一系列Zn_(1-x)Cr_x O和Zn_(1-x)Cr_x O/N(x=0,0.05,0.10)納米薄膜,研究了Cr/N共摻雜對ZnO薄膜結(jié)構、磁性及光學性質(zhì)的影響。結(jié)構測試表明薄膜樣品均為單相纖鋅礦結(jié)構,且沿c軸垂直取向生長。Cr以Cr~(3+)離子存在于ZnO中的取代位,而N則幾乎沒能夠有效的進入ZnO晶格中的取代位。ZnCrO和ZnCrO/N薄膜均顯示一定的室溫鐵磁性,在Cr、N摻雜含量合適的情況下,ZnCrO/N薄膜可獲得最大的室溫飽和磁化強度,其鐵磁性與薄膜內(nèi)存在的氧空穴濃度有一定的關系。Cr/N共摻雜比Cr單摻雜和N單摻雜更能有效增大ZnO薄膜的帶隙,其變化受晶粒尺寸的影響�？傊�,我們沉積了一系列Zn VO/N和ZnCrO/N薄膜樣品,成功的實現(xiàn)了對ZnO稀磁半導體薄膜載流子濃度、磁性和帶隙的調(diào)控,這有助于ZnO半導體材料在未來電子器件中的發(fā)展及應用。
[Abstract]:Zinc oxide (ZnO) is an important electronic information functional material. The advantages of stable chemical properties, abundant source of raw materials, and large band gap width at 300K make ZnO luminescent devices. Transparent electrodes and other fields have great application prospects. In order to further expand the scope of their applications, people often improve their properties by doping elements, in which uncompensated n-p co-doping is an effective doping method. Uncompensated n-p co-doping can not only improve the solid solubility of element, make ZnO obtain magnetism, avoid the appearance of cluster and second phase magnetic impurity phase, but also adjust its band gap effectively. In this thesis, a series of doped ZnO thin films were prepared by pulsed laser deposition using V / N and Cr/N as uncompensated n-p co-doped pairs. The structure and transport of V / N and Cr/N co-doped ZnO films were systematically studied. The effects of magnetic and optical properties. The advantages and functions of uncompensated n-p co-doping in regulating the transport, magnetic and optical band gap of ZnO thin films are explained. No V metal clusters and their oxides were detected. Compared with N mono-doping, V / N co-doping can effectively increase the solubility of N in the ZnO matrix, and V exists in the presence of V _ (3) and V _ ((4)) at high doping content. Hall measurements show that the carrier concentration of n-type semiconductor ZnVO thin films can reach 1020cm-3, and the carrier concentration of ZnVO/ N thin films decreases to 1019cm-3 due to the compensatory effect of no, but it is still larger than that of pure ZnO films. The flux concentration. ZnVO / N has a larger saturation magnetic moment at room temperature than the ZnVO thin film. The magnetic properties are regulated by both carrier concentration and oxygen hole. The optical band gap is related to carrier concentration. The Burstein-Moss effect may occur in the film. (2) A series of Zn_(1-x)Cr_x O and Zn_(1-x)Cr_x O / NX / NX 0. 05% 0. 10) nanocrystalline films have been prepared by pulsed laser deposition. The effects of Cr/N co-doping on the structure, magnetic and optical properties of ZnO thin films were investigated. The results showed that the films were all single-phase wurtzite structures, and the perpendicular orientation of .Cr along the c-axis was the substitution of Cr~(3 ions in ZnO. On the other hand, the substitution sites. ZnCrO and ZnCrO/N films in ZnO lattice can hardly show room temperature ferromagnetism, and the maximum room temperature saturation magnetization can be obtained under the condition of the proper doping content of CrN in ZnCrO / N thin films. There is a certain relationship between the ferromagnetism and the oxygen hole concentration in the films. The Cr / N co-doping can increase the band gap of ZnO films more effectively than Cr mono-doping and N-mono-doping, and the changes are affected by the grain size. We have deposited a series of Zn VO/N and ZnCrO/N thin film samples, which have successfully controlled the carrier concentration, magnetism and band gap of ZnO thin film, which is helpful to the development and application of ZnO semiconductor materials in electronic devices in the future.
【學位授予單位】：山西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ132.41;TB383.2

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本文編號：1643972