[發(fā)明專(zhuān)利]立方相、巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Zn1－xMnxO晶體薄膜及其制備工藝

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710068094.6
• 申請(qǐng)日: 2007-04-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101104949A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱東江;顧智企;蔣銀土
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C30B25/00
• 分類(lèi)號(hào): C30B25/00;C30B29/16
• 代理公司: 杭州中成專(zhuān)利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 盛輝地

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氧化物稀磁半導(dǎo)體晶體薄膜的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在石英玻璃襯底上生長(zhǎng)對(duì)可見(jiàn)光高度透明、光學(xué)帶隙在4.5～5.7eV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的具有立方相、巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Zn_1-xMn_xO薄膜及其制備工藝。

技術(shù)背景

近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)稀磁半導(dǎo)體(DMS)材料的研究非常熱門(mén)，這是因?yàn)榕c普通的非磁性半導(dǎo)體材料相比，稀磁半導(dǎo)體材料同時(shí)具有可以調(diào)節(jié)的電子電荷自由度和電子自旋自由度，因而在新型的自旋電子學(xué)器件包括磁光、磁電器件中將有重要應(yīng)用。尤其是，國(guó)際上對(duì)ZnO基DMS材料的研究相當(dāng)活躍，這是因?yàn)閆nO的寬帶隙(室溫下3.37eV)特性將使ZnO基DMS材料的居里溫度超過(guò)室溫。同樣由于ZnO的寬帶隙特性，將使得過(guò)渡金屬元素?fù)诫s的ZnO材料仍具有對(duì)可見(jiàn)光透明的特征。但是，迄今為止所制備得到的ZnO基DMS材料，例如采用激光分子束外延(S.W.Jung，S.-J.An，G.C.Yi，C.U.Jung，S.I.Lee，S.Cho，F(xiàn)erromagneticproperties?of?Zn_1-xMn_xO?epitaxial?thin?films，Applied?Physics?Letters，80(2002)4561)、脈沖激光沉積(T.Fukumura，Z.Jin，M.Kawasaki，T.Shono，T.Hasegawa，S.Koshihara，H.Koinuma，Magnetic?properties?of?Mn-doped?ZnO，Applied?Physics?Letters，78(2001)958；M.Ivill，S.J.Pearton，D.P.Norton，J.Kelly，A.F.Hebard，Magnetization?dependence?on?electron?density?inepitaxial?ZnO?thin?films?codoped?with?Mn?and?Sn，Journal?ofApplied?Physics，97(2005)053904)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(E.Chikoidze，Y.Dumont，F(xiàn).Jomard，D.Ballutaud，P.Galtier，O.Gorochov，D.Ferrand，Semiconducting?and?magnetic?properties?of?Zn_1-xMn_xO?films?grown?bymetalorganic?chemical?vapor?deposition，Journal?of?Applied?Physics，97(2005)10D327)、磁控濺射(X.M.Cheng，C.L.Chien，Magnetic?properties?of?epitaxial?Mn-doped?ZnO?thin?films，Journal?ofApplied?Physics，93(2003)7876)等方法所制備的Mn摻雜的ZnO(即Zn_1-xMn_xO)材料，其晶體結(jié)構(gòu)均為類(lèi)ZnO的六方相、纖鋅礦結(jié)構(gòu)，而對(duì)于具有單一晶相的立方結(jié)構(gòu)Zn_1-xMn_xO材料，至今尚未見(jiàn)有報(bào)道。事實(shí)上，Zn_1-xMn_xO材料除了能夠形成類(lèi)ZnO的六方相、纖鋅礦結(jié)構(gòu)之外，還有可能形成類(lèi)MnO的立方相、巖鹽礦晶體結(jié)構(gòu)，這一方面取決于Zn_1-xMn_xO材料中的Mn的含量x，另一方面還取決于材料制備的工藝條件。首先，從摻雜角度看，Mn含量x較低時(shí)(通常x＜0.45)，Mn作為替位雜質(zhì)(即摻入的Mn取代ZnO晶格中Zn的位置)被摻入到ZnO晶格，形成類(lèi)ZnO結(jié)構(gòu)的六方相、纖鋅礦結(jié)構(gòu)Zn_1-xMn_xO；Mn含量x較高時(shí)(通常x＞0.5)，則Zn作為雜質(zhì)成分被摻入到MnO晶格，最終形成類(lèi)MnO結(jié)構(gòu)的立方相、巖鹽礦結(jié)構(gòu)Zn_1-xMn_xO；而在0.45＜x＜0.5時(shí)往往得到六方相和立方相共存的Zn_1-xMn_xO材料。其次，從材料生長(zhǎng)條件的角度看，形成c-軸擇優(yōu)取向的纖鋅礦結(jié)構(gòu)Zn_1-xMn_xO材料所需的能量較低，這與纖鋅礦結(jié)構(gòu)材料的(0001)晶面具有最低表面能這一特征有關(guān)，在相對(duì)較低的生長(zhǎng)溫度和較高生長(zhǎng)速率條件下Zn_1-xMn_xO材料容易長(zhǎng)成六方相、纖鋅礦的晶體結(jié)構(gòu)；而要使其他晶面如(100)面和(110)面擇優(yōu)生長(zhǎng)，則需要有相對(duì)較高的襯底溫度、較高的反應(yīng)粒子能量及較低的生長(zhǎng)速率。因此，Mn含量x的高低及生長(zhǎng)條件是否適當(dāng)對(duì)于在生長(zhǎng)初期究竟是形成六方相還是立方相的Zn_1-xMn_xO晶核是十分關(guān)鍵的。若能成功制備出過(guò)渡金屬元素?fù)诫s的立方相ZnO基DMS材料，例如立方相、巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Zn_1-xMn_xO材料，對(duì)于豐富ZnO基材料的結(jié)構(gòu)多樣性、研究其形成機(jī)理以及微結(jié)構(gòu)和磁特性之間的相互關(guān)系等等，都具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。