（材料物理与化学专业论文）mo掺杂in2o3薄膜的电磁性能研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：塑崮日期：型! ：型 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：娟尚导师( 签名) ：瓷一n i t ；l i s 3 1 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 稀磁半导体材料因其同时具有自旋和电荷两种自由度而成为近年来的研究 热点。通过掺杂过渡金属元素，蚍0 3 基半导体会具有良好的电磁光性能，而且 易于和多种半导体材料实现集成化，在下一代多功能器件中必将有极大的应用 前景。 本文中采用高温固相烧结的方法，制备了m o 掺杂i n 2 0 3 稀释磁性半导体块 体，并对固相烧结的特征阶段和原理进行了简单介绍。后用制得的块体作为蒸 镀源材料，采用玻璃片作为基底材料，用电子束真空蒸镀的方法，通过改变基 底温度、蒸镀时间、蒸镀气氛、m o 掺杂量等参数制各出了一系列的m o 掺杂i n 2 0 3 稀磁半导体薄膜，并采用x 射线衍射仪、场发射扫描电镜、四探针电阻测试仪、 霍尔效应测试系统、振动样品磁强计、紫外可见光分光光度计分别对薄膜样品 的晶体结构、表面形貌、电输运性能、磁性能、光性能进行了表征和分析。主 要结论如下： ( 1 ) 采用高温固相法制备得到的m o 掺杂i n 2 0 3 块体，用真空蒸镀的方法制备 得到薄膜样品，在m o 掺杂浓度为1 、2 、3 时具有了室温铁磁性。 ( 2 ) 随着m o 掺入量的变化，薄膜样品的结构和磁性能均发生了较大的变化。 当m o 掺入量为1 3 时，获得样品的晶体结构与立方晶系i n 2 0 3 相一致，而 m o 掺入量为4 时，样品中有第二相i n l l m 0 4 0 0 6 2 析出；m o 掺杂i n 2 0 3 的晶格常 数均小于i n 2 0 3 晶格常数，随着m o 掺入量的增加，晶格常数呈现减小趋势，在 掺入量为3 时，取得最小晶格常数9 7 6 5 a 。磁性能随着m o 掺入量的增加而增 大，在3 时，获得最好磁性能1 5 2 e m u c m 3 。 ( 3 ) 得到的最优工艺参数为：选用2 m o 掺杂的i n 2 0 3 作为靶材，蒸镀时间 为l o m i n ，真空舱室气氛为l o s c c m 的0 2 ，基底温度为4 0 0 。在此参数下，薄 膜样品的性能为载流子浓度7 8 8 1 x 1 0 1 9c m 3 ，载流子迁移率6 7 9 1c m 2 v s ，电阻 率o 0 0 3 f 2 c m ，饱和磁化强度1 0 8 2 3 2 e m u c m 3 ，透过率7 6 。 ( 4 ) 研究了m o 对i n 2 0 3 磁性的影响机理，表明m o 掺杂i n z 0 3 薄膜的铁磁性 来源于材料的本征特性，替换i n 3 + 进入晶格点阵的m 0 6 + 数量决定了铁磁性的大 小。d 轨道自旋电子以载流子为媒介发生交换耦合作用，从而产生磁有序。而且 薄膜结构中较多的缺陷和氧空位对体系的磁性能也有着较大影响。 茎鎏里三奎兰堡主堂堡垒壅一 _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ - i - 一 ( 5 ) 在可见光区域内，制备的薄膜样品都具有7 0 以上的光透过率。 关键词：稀磁半导体，氧化铟，真空蒸镀法，结构，性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i l u t em a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sh a v eb e e nt h ef r o n t i e rr e s e a r c ho b j e c t si nr e c e n t y e a r sb e c a u s eo ft h ep o s s i b i l i t yo fa s s e m b l i n gc h a r g ea n ds p i nd e g r e e so ff r e e d o mi n s i n g l es u b s t a n c e i n 2 0 3b a s e ds e m i c o n d u c t o r sw i l lh a v eg o o do p t o e l e c t r i c a l a n d m a g n e t i cp r o p e r t i e sb yd o p i n gt r a n s i t i o nm e t a l s t h e r ew i l lb eag r e a ta p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nt h en e x tg e n e r a t i o no fm u l t i - f u n c t i o nd e v i c ed u et oi n t e g r a t i n gv a r i o u s s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l se a s i l y i nt h i sr e s e a r c h ，m od o p e di n 2 0 3d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rb u l k sw e r e p r e p a r e db yh i g h t e m p e r a t u r es o l i d s t a t er e a c t i o nm e t h o d a n dw eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l eo fs o l i d s t a t er e a c t i o n t h e nm o i n 2 0 3d i l u t e d m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rt h i nf i l m sw e r eg r o w no ng l a s s s u b s t r a t eb yv a c u u m e v a p o r a t i o nm e t h o d b yc h a n g i n g t h eb a s e d t e m p e r a t u r e ，e v a p o r a t i o nt i m e ， e v a p o r a t i o na t m o s p h e r ea n dm oc o n t e n t ，w ea c q u i r e das e r i e so ff i l ms a m p l e s t h e c r y s t a ls t r u c t u r e ，s u r f a c em o r p h o l o g y , e l e c t r i c a lt r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，m a g n e t i cp r o p e r t y a n do p t i c a l p r o p e r t y w e r e i n v e s t i g a t e db yx r a yd i f f r a c t i o n , s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ，f o u rp r o b e r e s i s t a n c em e t e r , h a l le f f e c t t e s t e r , v i b r a t i n gs a m p l e m a g n e t o m e t e ra n du l t r a v i o l e t - v i s i b l el i g h ts p e c t r o p h o t o m e t e r t h ec o n c l u s i o n sa l ea s f o l l o w s ( 1 ) m od o p e di n 2 0 3b u l k sw e r ep r e p a r e db yh i g h - t e m p e r a t u r es o l i d - s t a t er e a c t i o n m e t h o d t h e nm o 1 n 2 0 3d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rt h i nf i l m sw e r eg r o w no n g l a s ss u b s t r a t eb yv a c u u me v a p o r a t i o nm e t h o d ，a n di t b e h a v e dr o o m t e m p e r a t u r e f e r r o m a g n e t i o no nt h em o c o n c e n t r a t i o no f1 ，2 ，3 ( 2 ) s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h es a m p l e sc h a n g e dg r e a t l yo n d i f f e r e n t m oc o n c e n t r a t i o n w h e nt h em oc o n c e n t r a t i o ni s1o o - 3 t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo ft h e s a m p l e sw a s t h es a m ew i t hi n 2 0 3 b u tw h e nt h em oc o n c e n t r a t i o ni s4 ，t h e r ew a st h e s e c o n dp h a s ei n l1 m 0 4 0 0 6 2p r e c i p i t a t e d t h el a t t i c ec o n s t a n to ft h em a i np h a s eo fa l l t h es a m p l e sw e r el e s st h a nt h a to fi n 2 0 3l a t t i c ec o n s t a n t ，s h o w i n gad e c r e a s i n gt r e n d w h e nt h em oc o n c e n t r a t i o ni s3 ，w eo b t a i n e dt h em i n i m r ml a t t i c ec o n s t a n to f 9 7 6 5 a m a g n e t i cp r o p e r t i e si n c r e a s e da st h em oc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d w h e nt h e i i i 武汉理1 = 大学硕士学位论文 m oc o n c e n t r a t i o ni s3 w eo b t a i n e dt h eb e s tm a g n e t i cp r o p e r t i e so f15 2 e m u c r n ( 3 ) t h eo p t i m u mt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o rt h eb e s tp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h i n f i l m sw e r et h a tt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ew a s4 0 0 。c ，t h ea r g o no x y g e nf l o wr a t i ow a s 10 0 ，t h ee v a p o r a t i o nt i m eo f10 r a i n ，t h em oc o n t e n tw a s2 u n d e rt h ep a r a m e t e r , c a l r i e rc o n c e n t r a t i o nw a s 7 8 8 1 x 1 0 1 9c a l l 3 ；c a l r i e r m o b i l i t yw a s6 7 9 1c m 2 v s ， r e s i s t a n c ew a s 0 0 0 3 f l e m ，s a t u r a t i o nm a g n e t i c m o m e n tw a s10 8 2 3 2 e m u e m 3 ，t r a n s m i t t a n c ew a s7 6 ( 4 ) m oo nt h em e c h a n i s mo fm a g n e t i cp r o p e r t i e so fi n 2 0 3 t h ef e r r o m a g n e t i o no f m od o p e di n 2 0 3t h i nf i l m sw e l ei n t r i n s i c t h en u m b e ro fm 0 6 + w h i c hr e p l a c e di n 3 + i n t ot h el a t t i c ed e t e r m i n e dt h ef e r r o m a g n e t i o n t h ee l e c t r o mo ndo r b i t a lw o u l d o c c u r r e de x c h a n g ec o u p l i n gi n t e r a c t i o nt h o u g ht h ec a r r i e r s a n dan u m b e ro fd e f e c t s a n do x y g e nv a c a n c i e si nt h ef i l mh a dap o s i t i v ei m p a c to nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e s ( 5 ) i nt h ev i s i b l er e g i o n , t h et r a n s m i t t a n c eo ft h ef i l m sw e r em o r et h a n7 0 k e y w o r d ：d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r , i n 2 0 ，v a c u u me v a p o r a t i o n ，s t r u c t u r e ，p r o p e r t y i v jljljjjlililillliiljiiliiiililillliliili 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 稀磁半导体研究概况一l 1 1 1 稀磁半导体研究背景l 1 1 2 稀磁半导体简介2 1 1 3 稀磁半导体磁性来源理论模型3 1 1 3 1 双交换理论。3 1 1 3 2 超交换理论4 1 1 3 3r k k y 理论4 1 1 3 4 平行场理论5 1 1 3 5b m p 理论6 1 2 稀磁半导体薄膜制备方法。7 1 2 1 溶胶凝胶法( s 0 1 g e l ) 7 1 2 2 分子束外延法( m b e ) 7 1 2 3 脉冲激光沉积法( p l d ) 8 1 2 4 化学气相沉积法( c v d ) 。9 1 2 5 溅射技术9 1 2 6 蒸发技术1 0 1 3 稀磁半导体薄膜的应用前景1 0 1 4 本论文研究的意义及创新点1 1 1 4 1 本论文研究的意义1 l 1 4 2 研究内容及创新点1 2 1 5 本章小结1 2 第二章实验部分。13 2 1m o 掺杂l n 2 0 3 块体的固相烧结制备1 3 2 1 1 固相烧结简介1 3 2 ，1 2 实验药品和设备14 2 1 2 1 实验药品1 5 2 1 2 2 实验设备1 5 2 1 2 3 靶材制备l5 2 2 电子束真空蒸镀制备m o 掺杂i n 2 0 3 薄膜1 5 2 2 1 电子束真空蒸镀方法介绍1 5 2 2 2 实验原料和设备1 7 2 2 2 1 实验原料1 7 2 2 2 2 实验设备。1 7 v 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 3 薄膜制备17 2 3 样品的表征18 2 3 1x 射线衍射( x r d ) 18 2 3 2 场发射扫描电镜1 9 2 3 3 膜厚测试仪2 0 2 3 4 四探针电阻测试仪2 1 2 3 5 霍尔效应测试系统2 2 2 3 6 振动样品磁强计2 2 2 3 7 紫外可见分光光度仪2 3 2 4 本章小结2 4 第三章m o 掺杂i n 2 0 3 单相性薄膜的制备2 5 3 1 掺杂浓度。2 5 3 1 1 掺杂浓度对结构的影响j 2 5 3 1 2 掺杂浓度对表面形貌的影响2 6 3 2 基底温度2 7 3 2 1 基底温度对结构的影响2 7 3 2 2 基底温度对表面形貌的影响2 8 3 3 气氛2 9 3 3 1 气氛对结构的影响2 9 3 3 2 气氛对表面形貌的影响3 0 3 4 蒸镀时间3 l 3 4 1 蒸镀时间对结构的影响3 l 3 4 2 蒸镀时自j 对表面形貌的影响3 2 3 5 本章小结3 3 第四章m o 掺杂i n 2 0 3 薄膜的电磁性能研究3 4 4 1 基底温度3 4 4 1 1 基底温度对电性能的影响3 4 4 1 2 基底温度对磁性能的影响3 5 4 2 气氛3 6 4 2 1 气氛对电性能的影响3 6 4 2 2 气氛对磁性能的影响3 7 4 2 3 气氛对光性能的影响。3 8 4 3 蒸镀时间3 9 4 3 1 蒸镀时间对电输运性能的影响3 9 4 3 2 蒸镀时间对磁性能的影响4 0 4 3 3 蒸镀时间对光性能的影响4 1 4 4 掺杂浓度4 2 4 4 1 掺杂浓度对电输运性能的影响4 3 4 4 2 掺杂浓度对磁性能的影响4 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 5 磁性能分析_ 4 4 4 6 本章小结4 5 第五章结论与展望4 6 5 1 结论4 6 5 2 展望4 6 参考文献4 8 j l i 谢51 i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 稀磁半导体研究概况 1 1 1 稀磁半导体研究背景 近几十年来，半导体物理( 特别是微电子和光电子领域) 最受关注的一个研究 课题就是如何在固体内引入掺杂粒子，从而控制它的性能。现代微电子技术和 其他许多相关行业的发展很大程度上都归因于半导体内的可控掺杂效应。最近 几年，自旋电子学和磁光效应【1 2 】引起了人们越来越多的关注，很多科学家投身 到这一领域来探索研究。研究者们希望通过在非磁性半导体内改变磁性粒子的 掺杂浓度，来探寻铁磁性的真正来源，这种材料被称为稀磁半导体( d i l u t e d m a 蹲硝cs e m i c o n d u c t o r ，简称d m s ) 材料。这个领域真正吸引人们的地方在于， 一种功能材料内引入自旋能极大地拓宽它的应用范围甚至能丌发出许多新的应 用。稀释掺杂能保证被掺杂非磁性物质的固有特殊性质被保留，使得新材料能 同时具有两种材料的优点。然而，这种掺杂系统的磁性能并不能与大部分的铁 磁性物质相比，例如磁铁矿、磁赤铁矿、铁氧体以及混合亚锰酸盐，因此，这 种d m s 体系不能应用于对磁性能要求较高的领域。我们只可以利用它们在掺杂 粒子自旋和电荷自旋方面的优势将它们运用在磁光和自旋电子装置中。 稀磁半导体领域里的早期研究都集中在半导体材料上，特别是g a a s ，例如 c o c y 等1 3 4 】研究的g a m n a s 体系。研究者们花费了大量的精力来寻找有效控制材 料性能变化的方法，但是实验的重复性不高。诚然如此，这些研究还是让我们 很清楚的了解到了半导体的一些特性，如电子自旋、相互交换作用以及弛豫现 象等。 近些年来，金属氧化物薄膜材料、纳米材料和界面材料的迅猛发展，都为新 兴的前沿科学氧化物电子学，提供了坚实的物理理论支持。在此背景下， 掺杂效应的重要性也自然而然的体现出来，磁性粒子掺杂的特殊金属氧化物开 始吸引了越来越多人们的关注。氧化物在许多方面都不同于化合物半导体，例 如，它们的结构式、多样性、成键特征、性质、缺陷类型、各向异性等等，尤 其是在多元系统中，结构化学计量式性质之间的关系更是千差万别。因此，以 武汉理工大学硕士学位论文 氧化物为基底材料来研究掺杂效应的影响，可能会发现更多有别于半导体物理 学里的新的物理特性。现在越来越多的人们把研究的重点放在i n 2 0 3 和z n o p 卅j 两种宽带隙的n 型金属氧化物上。 2 0 0 0 年，m a t s u m o t o 等【8 l 在c o 掺t i 0 2 体系罩观察到了铁磁性引发了一轮新 的稀磁半导体氧化物研究热潮。从那之后，研究者们采用不同的掺杂物，甚至 是缺陷掺杂，都发现了铁磁性，并在其他的氧化物体系中通过掺杂也发现了铁 磁性f 9 - 1 2 】。自此，稀磁半导体的研究进入了一个新阶段。 1 1 2 稀磁半导体简介 稀磁半导体【”】( d m s ) 指的是一种非磁性物质通过一种磁性掺杂物的低浓度 均匀掺杂后，内部产生磁有序，从而表现出铁磁性。因为磁性粒子的稀释浓度， 相邻掺杂粒子间的平均间距必然要大于任意铁磁交换原理的相邻粒子距离，所 以稀磁半导体中铁磁现象的出现被归因于载流子效应。而因为载流子效应的多 种解释，所以研究者们构建了不同的理论模型来分析磁性起源，例如r k k y 理 论、偏振极化子理论、面心交换理论等等。粒子间的相互作用直接影响着居里 温度的大小，同时，掺杂粒子磁矩和载流子自旋交换作用又会引起反常霍尔效 应( a a - i e ) 、磁圆二色谱( o m c d ) 等的变化。此外，由于载流子对交换作用的重要 性，任何载流子浓度的变化，例如添加外加电场或共掺杂另一种粒子，都会对 观察到的磁性造成显著的影响【1 4 1 。 反常霍尔效应、磁圆二色谱和外加电场调试等现象被认为是本征稀磁半导 体材料的重要特征，但是仅凭这些，我们还不能判定一种材料是否属于稀磁半 导体，因为在材料内部，掺杂粒子可能出现或部分团簇或完全团簇的几种的不 均匀分布的情况。当掺杂物出现团簇时，次级磁性相会使分析变得更为复杂。 为了更加确切的表征材料内部掺杂粒子的均匀性，我们可以用电子能量损失能 谱( e e l s ) 、，二次粒子质谱等纳米级元素深度扫描法，通过完整比对扫描数据， 来确定掺杂粒子浓度。在特定的生长环境下，大部分掺杂粒子会集中在表面、 界面或晶界处，这决定了掺杂粒子不可能被在一个特定的局部区域或是沿某一 特定线的扫描观测到，所以不同焦距的透射电镜也是观察掺杂粒子的一种必不 可少的办法。在许多情况下，透射电镜测得的数据结果( 如结构、掺杂粒子分布 等) 非常好，但还算会出现许多的掺杂粒子在其他区域以团簇形式出现，甚至是 2 武汉理工大学硕士学位论文 在表面、界面附近生成次级相。另一个比较重要的因素就是探测深度，例如， 如果用表面敏感探针，我们就不能判断掺杂物的价态，掺杂粒子在表面和较深 区域里可能就以不同价态出现。考虑到以上种种情况，在处理稀释掺杂浓度和 弱磁信号时，材料的原子状态就显得尤为重要。当团簇现象发生时，我们的分 析就更要仔细，因为这些情况意味着非本征铁磁半导体。 一些研究者【2 】提出我们不关心团簇，引起我们兴趣并且具有应用价值的只是 自旋电子效应。但是这种观点忽略了一点，只有这种材料的性能为本征性能， 这种材料才可被重复制备，而一种材料要具备应用前景，性能变化必须更小， 所以情况并非如此，最好的情况是生长时掺杂粒子就能均匀分布。如果掺杂粒 子是像m n 或c u 这样没有第二铁磁相的金属，那么局部的团簇仅仅只会降低掺 杂粒子分布的平均浓度；但是如果掺杂粒子是像f c 或c o 这样的第二相有铁磁 性或反铁磁性的金属，稀磁半导体与这些相共存就会对铁磁性来源的分析造成 非常大的麻烦。所以一些磁性特征，如场冷和零场冷磁化曲线、磁滞回线，是 阐述机理的必要手段。 当团簇很小时，根据各自的晶体结构不同，低于临界各向异性能量时，就 会出现超顺磁弛豫。在这种情况下，即使所有的铁磁性粒子自旋一致，任意晶 向上的磁矩也会小于相同温度和方向下铁磁性纳米粒子快速振动的总磁矩，从 而直接导致了零矫顽力的顺磁响应。当团簇大于超顺磁弛豫的临界尺寸时，因 为区域之间的界限消失了，单畴粒子的矫顽磁场会非常高。所以在对一个样品 的磁性状态以及相关的微结构和化学态下结论前，所有的这些因素都要被纳入 分析。 1 1 3 稀磁半导体磁性来源理论模型 1 1 3 1 双交换理论 1 9 5 1 年，z o n e r 最早提出双交换理论机制【1 5 】，即不同价态的两个过渡族离子 通过氧原子进行交换耦合。但在2 0 0 0 年，s a t o 等通过第一性原理的计算，论证 了双交换机制实际是以载流子( 电子或空穴) 为媒介的。稀磁半导体中，掺杂的磁 性离子与载流子发生交换，因为交换耦合常数比较大，所以电子会跃迁到磁性 离子的d 轨道上，这样磁性离子与载流子的自旋方向就相互平行，系统具有了 较低的能量。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 5 年，k e v i n 课题组在双交换理论的基础上，又提出了变价理论。掺杂离 子与载流子发生交换作用后，电荷转移到了掺杂离子( 即过渡金属) 的d 轨道上， 从而使得掺杂离子的价态发生了改变，如m n 2 + 通过与电子与空位的不同交换会 相应变成m n + 和m n 3 + 。 双交换理论机制是一种短程交换，一般用来解释载流子浓度较高的体系中 的磁性来源，而对于载流子浓度较低的体系，则没有说服力。 1 1 3 2 超交换理论 超交换理论【1 6 】解释反铁磁性物体自发磁化的机制，最早是由克拉默斯提出 的，后又经过奈尔、安德森等人的进一步计算论证，考虑与磁性离子自旋相关 的能量，例如共价键效应和离子的薛定谔波函数，最终构建出了模型，定义为 反铁磁性材料内，磁性离子只有通过两两之间的非磁性粒子，才可能发生交换 作用。 一般情况下，稀磁半导体中的过渡金属离子的d 层电子数可以用3 d n 来表示， d 电子数可能大于5 ，也可能小于5 ，这样过渡金属离子与激发态的氧离子o 与 发生交换作用时，根据超交换作用原理以及h u n d 规则，就可能出现以下两种情 况t ( 1 ) 3 0 电子数1 5 时，按照h u n d 规则的判定，激发态电子与原有电子自旋方向相 反，即过渡金属的2 p 轨道电子激发到3 d 轨道去之后，与原有轨道电子自旋方 向相反。此时如果激发态的o 与过渡金属离子问的交换积分为负，材料表现为 反铁磁性；如果交换积分为正，材料表现为铁磁性。 ( 2 ) 3 d 电子数 重 罡 图4 3不同氧分压下( o ，0 5 ，1 ) 制备的薄膜电性能图谱 f i g 4 3 e l e c t r i c a lp r o p e r t yd i a g r a mo ff i l m sw i t hd i f f e r e n ta t m o s p h e r e ( o x y g e np a r t i a lp r e s s u r e ：0 ，0 5 ，1 ) 图4 3 为不同氧分压下制备的m o - i n 2 0 3 薄膜的电性能示意图。可以看到， 随着0 2 通入量的增加，薄膜样品的电性能逐渐变差。 从结构的分析中，我们可以知道，在无氧沉积的气氛中，薄膜中会出现金 属态原子，金属态原子具有良好的导电性能，所以薄膜的电阻率较低；随着氧 分压的增加，在氧分压较低情况下，薄膜氧化不充分可能会产生亚氧化物，载 流子浓度较低，同时还会增加载流子散射几率，使得载流子迁移率也较低，薄 膜的电阻率升高；随着氧分压的升高，薄膜氧化较充分，虽然氧空位能够提供 额外的两个电子，同时由于高价态的m 0 6 作为掺杂离子进入i n 2 0 3 晶格，能提 供更多的电子，但是随着氧分压的增加，沉积气氛中氧气含量增多，i n 2 0 3 晶格 中氧空位数量减少，造成载流子浓度的减少及薄膜迁移率的减少，导致薄膜电 阻率进一步升高m 】。 4 2 2 气氛对磁性能的影响 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 0 0 05 0 0 00s 0 0 01 0 0 0 0 a p p l i e df i e j c i o e 图4 4 不同气氛t ( 0 2 a r ：0 1 0 ，5 5 ，1 0 0 ) 制备的薄膜m h 曲线 f 埝4 - 4m a g n e t i z a t i o nv e r s u sm a g n e t i cf i e l dc u r v 鼯a td i f f e r e n ta t m o s p h e r e ( 0 2 a r ：o l0 ，5 5 ，lo o ) 图4 4 为不同气氛下制备的m o i n 2 0 3 薄膜的m h 曲线。从上图我们可以看 出，随着0 2 通入量的上升，薄膜样品的铁磁性会逐渐增大，但增大幅度不是太 明显。这与p h i l i pj 【2 8 】实验组的研究成果差别较大。他们在不同氧分压条件下制 备的c r ：0 3 薄膜，在0 3 5 m t o r r 的氧分压下，表现出明显的铁磁性，饱和磁 矩达到了1 2 5 1 a s a t o m ；但在2 0 r e t o r t 的氧分压下，则表现为顺磁性。据此，他们 的分析结果认为氧空位浓度决定了稀释半导体薄膜的磁性能。 4 2 3 气氛对光性能的影晌 图4 - 5 为不同气氛下制备的m o i n 2 0 3 薄膜的紫外可见光谱。从下图中，我 们可以看出，随着氧气通入量的增加，透过率开始逐渐上升，在只通入1 0 s c c m 的0 2 时，达到了最大的透过率8 0 左右。 由于较低的氧分压会导致i m o 薄膜氧化不充分，薄膜中会出现金属态原子 及不稳定的亚氧化物，金属态原子和亚氧化物对入射电磁波有较强的反射和吸 收，因此会导致i m o 薄膜的透过率较低。当氧分压达到一定值以后，薄膜能氧 化充分后，可以获得较高的透过率 4 4 1 。 3 8 ，e号e盥12 武汉理工大学硕士学位论文 芝 8 磊 芝 岳 写 i - 。 4 0 06 0 08 0 0 w 神e l 钥g l n m 图4 - 5 不同气氛下( a r 0 1 2 ：0 1 0 ，5 5 ，1o 0 ) 制备的薄膜的光透过率 f i g 4 - 5 t h et r a n s m i t t a n c eo ff i l m sw i t hd i f f e r e n ta t m o s p h e r e ( a r 0 2 ：0 1 0 ，5 5 ，lo o ) 4 3 蒸镀时间 此节中我们选取蒸镀时间为变量参数，选取蒸镀时间为5 m i n 、l o m i n 、2 0 m i n ， 固定气氛为l o s e e r n0 2 ，基底温度为4 0 0 ( 2 ，采用2 m o 掺杂i n 2 0 3 ，制备薄膜， 并对其性能进行测试。用t m 6 0 0 型膜厚仪监测镀膜厚度，蒸镀速率大约为 5 n m m i n 8 n m m i n ，最后显示的薄膜厚度分别为6 6 n m 、8 4 n m 、1 0 3 n m 。见表4 - 2 。 表4 _ 2 蒸镀时间与膜厚 蒸镀时间( m i n )膜厚( n m ) 56 6 1 08 4 2 01 0 3 4 3 1 蒸镀时间对电输运性能的影响 盼 街 o 武汉理工大学硕士学位论文 将在不同蒸镀时间下得到的薄膜样品用h a l l 测试仪在室温下进行测试，薄 膜样品电阻率的计算方法是根据1 1 型半导体电阻率的计算公式得来，其中q 为 一个电子电量，q = 1 6 0 2 xl f f l 9 c 。 l d = 一 n q p n 得到的结果如表4 3 所示，表中r h 为霍尔系数，n 为载流子浓度，斗为载流子迁 移率，p 为体积电阻率。 表4 _ 3 电输运性能表 蒸镀时f 自j ( m i n ) 51 02 0 r h ( m 3 c ) 2 8 6 8 x 1 0 石1 6 0 8 x 1 0 78 9 6 0 x10 - s n ( c m 3 ) 2 1 7 6 x 1 0 1 83 8 8 1x 1 0 1 96 9 6 6 x10 1 9 “( 伽1 2 s ) 2 2 7 66 7 9 16 7 8 2 p ( t q c r n ) 1 2 6 00 0 2 40 。0 1 3 从表4 - 3 中我们可以看出，随着蒸镀时间的增加，载流子浓度和载流子迁移 率都呈现增大趋势，电阻率呈现下降趋势。薄膜样品的电性能随着蒸镀时间的 增加而变好。 这同样可以用薄膜样品的结晶性能来解释【3 8 l 。由x r d 图谱我们可以得知， 蒸镀时间越长，薄膜样品的结晶程度越高。随着蒸镀时问的增加，薄膜厚度增 加，晶粒增大，这会降低晶界的扩散，从而使得载流子迁移率升高；而且更多 高价态的m 0 6 + 会替换h 1 3 + 进入晶格点阵中，这不仅降低了杂质散射作用，而且 会极大程度的提高载流子浓度，二者直接导致了样品的电性能变好。 4 3 2 蒸镀时间对磁性能的影响 图4 - 6 为不同蒸镀时间下制备的m o i n 2 0 3 薄膜的m h 曲线。从下图我们可 以看出，蒸镀时间为5 m i n 时，薄膜样品呈现反铁磁性，而当蒸镀时间为1 0 r a i n 和2 0 r a i n 时，薄膜样品呈现出铁磁性，并随着蒸镀时间的增加，铁磁性增强。 2 0 0 6 年，h o n gnh 【4 s 】实验组发现了8 0 0 n m 的f e ：z n o 薄膜样品的磁化强 度要比2 0 0 n m 的薄膜样品小的多。他们认为薄膜越厚，其性质就越接近块体材 料，而他们所选用的z n o 材料并不具备磁性，所以厚度越大，样品磁性越差。 而p h i l i pj t 2 8 】实验组的结果也是6 0 n m 的c r ：i n 2 0 3 薄膜饱和磁化强度要大于8 0 n m 4 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 0 0, 0 05 0 0 6 0 07(th，p w a v e l e n g i l v n m 图4 - 7 不同蒸镀时间下( s m i n ，1 0 m i n ，2 0 m i n ) 匍 备的薄膜的光透过率 f i g 4 - 7 t h et r a n s m i t t a n c eo ff i l m sw i t hd i f f e r e n te v a p o r a t i o nt i m e ( s m i n ，10 m i n ，2 0 m i n ) 图4 _ 7 为不同蒸镀时间下制备的m o i n 2 0 3 薄膜的紫外一可见光谱。从上图我 们可以看出，随着蒸镀时间的增加，薄膜在可见光区的透过率呈下降趋势，即 薄膜的透明度下降。 造成光性能下降的原因，一方面是由于薄膜厚度的增加，另一方面是h 1 2 0 3 薄膜的光学禁带宽度吸收所致h 5 1 。随着蒸镀时间的增加，载流子浓度增加，禁带 宽度变宽，禁带宽度的展宽是由m o s s b u r s t e i n 效应引起的m ，即由于导带底部附 近量子态基本上已被电子占据，故带中的电子欲直接跃迁到导带中，则必须吸收 更多的能量才能跃迁到导带中较高的空位上，就如同禁带宽度变宽了。 m o s s b u r s t e i n 效应引起的宽化能带可表示为： 衄，：丛f ，封仃 5 2 ml7 1 其中n 是导带中载流子的浓度，m 是电子的有效质量，h 是普朗克常数。此 外，m o 原子的加入可以加宽i o ( i n 2 0 3 ) 膜的光学直接跃迁能隙，使得薄膜的吸收 边向可见光区偏移，入射光子能量损耗将上升。 4 4 掺杂浓度 仰 舶 约 o 武汉理工大学硕士学位论文 4 4 1 掺杂浓度对电输运性能的影响 蒸镀不同m o 掺杂量的靶材，得到的薄膜样品，计算后结果如表4 4 所示。 表4 - 4 电输运性能表 t a b l e4 - 4 d i a g r a mo fe l e c t r i ct r a n s p o r tp e r f o r m a n c e 掺杂浓度( ) 123 r h