CN105161288A - 一种增强ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的方法，以一定剂量的质子H+对ZnO基稀磁半导体薄膜进行辐照。本发明采用质子H+对ZnO基稀磁半导体薄膜进行辐照，以此实现对ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的增强。通过本方法处理后的ZnO基稀磁半导体薄膜的室温铁磁性的饱和磁化强度有相对于未经质子辐照的薄膜有40%的提高。

Description

一种增强ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的方法
技术领域
本发明为一种增强ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的方法，属于新型半导体自旋电子学领域。
背景技术
众所周知，电子具有两个重要的属性，即电荷属性和自旋属性。传统的半导体材料仅仅使用了电子的电荷属性，而一种全新的电子器件——自旋电子器件同时利用电子的电荷和自旋这两种属性，它具有速度快、体积小、耗能发热低及非易失性等优点，目前已经设计出一系列自旋电子器件如自旋场效应管、自旋阀、自旋发光二极管等。
稀磁半导体是制备自旋电子器件的理想材料，它是指在非磁性半导体材料中，由过渡金属离子或稀土金属离子部分替代非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料。自2000年以后，由于ZnO材料优异的光电性质，得到了广泛的研究并且在各类掺杂体系中实现了室温铁磁性，但是自旋电子的注入效率不高及自旋极化机理一直是限制其转化为应用的难点。在各种各样的掺杂体系中，稀土金属离子由于4f轨道多并且4f电子拥有较大的轨道角动量，作为掺杂元素，最有希望获得更为明显的室温铁磁性。
近十年的研究发现，在ZnO基稀磁半导体材料中，缺陷对于调节磁性粒子的铁磁耦合交换有着重要的作用。目前，主要通过改变制备过程中的工艺参数、退火处理以及粒子辐照来调控晶体中点缺陷的浓度，其中粒子辐照是一种可控性好的实验手段，可选择的参数众多例如离子种类、离子能量和离子剂量，从而可以依据具体的实验目的，选择合适的试验参数。但是，目前还没有通过粒子辐照来调控ZnO基稀磁半导体材料中的缺陷的报道。
发明内容
本发明主要针对目前稀磁半导体薄膜中饱和磁化强度不高，自旋电子的注入效率较低的问题，目的在于提供了一种改善此类问题的方法。
在此，本发明提供一种增强ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的方法，所述方法包括以一定剂量的质子H+对ZnO基稀磁半导体薄膜进行辐照。
较佳地，质子辐照剂量为1×1014～4×1016cm-2。
较佳地，质子辐照能量为2～3MeV，辐照过程在室温下进行。
较佳地，所述辐照在ZnO基稀磁半导体薄膜中产生了阳离子空位，通过调节质子辐照剂量和/或辐照能量来调控阳离子空位的浓度。
较佳地，经所述辐照后的ZnO基稀磁半导体薄膜的饱和磁化强度相对于辐照前提高了40％以上。
较佳地，所述辐照不改变所述薄膜的组成和相。
较佳地，所述ZnO基稀磁半导体薄膜的化学通式为Zn1-xYbxO，其中0＜x≤0.2。
较佳地，所述ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法为物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和电化学方法中的至少一种，优选为磁束缚电感耦合等离子体增强物理气相沉积法。
较佳地，所述ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法包括：
(1)将清洁干燥的衬底、Zn1-xMxO靶材放入腔室中；
(2)将腔室本底真空抽至≤3.0×10-3Pa，通入高纯Ar，然后将蓝宝石衬底加热至300℃；
(3)最后开启射频电源，在120W的功率下溅射2.5h。
本发明采用质子H+对ZnO基稀磁半导体薄膜进行辐照，以此实现对ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的增强。通过本方法处理后的ZnO基稀磁半导体薄膜的室温铁磁性的饱和磁化强度有相对于未经质子辐照的薄膜有40％的提高。本发明方法稳定有效，可以在不破坏材料的前提下对ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性进行显著、有效的增强，这有利于自旋电子器件性能的提升和将来的实用化。
附图说明
图1为经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的XRD图谱。该图谱与六方纤锌矿ZnO标准PDF卡片相对应，除蓝宝石衬底的衍射峰外，只存在ZnO(100)及(002)峰位，且(002)峰的强度远大于(100)峰，表明薄膜中没有第二相且呈现良好的c轴择优取向；
图2为经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的XPS图谱，插图为Yb-4d的高分辨XPS图谱。该薄膜并不存在Yb的氧化物及ZnYb二元化合物。图中的Auger指俄歇电子，OAugar标记的峰为O的俄歇电子峰；
图3为经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的正电子湮灭图谱，由图中可以看出，经质子辐照后在薄膜中产生了阳离子空位；
图4为经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的室温磁滞回线，表现为铁磁性的特征，其饱和磁化强度为0.2460emu/cm3。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明采用质子H+对ZnO基稀磁半导体薄膜进行辐照，以此实现对ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的增强。另外，应理解，本发明也可采用其它高能粒子，例如氦离子、氖离子或氩离子等惰性气体离子对ZnO基稀磁半导体薄膜进行辐照以增强其室温铁磁性。
本发明中，所述的ZnO基稀磁半导体薄膜是指在ZnO中掺杂有过渡金属元素、稀土元素、和/或其他特殊元素以使其产生铁磁性的薄膜。在一个示例中，ZnO基稀磁半导体薄膜的化学通式为Zn1-xYbxO，其中0＜x≤0.2。
本发明中，ZnO基稀磁半导体薄膜的厚度需小于1μm，若厚度大于此值，则质子会残留在薄膜中。
本发明中，ZnO基稀磁半导体薄膜可以是通过任何合适的方法制备的薄膜。其制备方法包括但不限于物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和电化学方法中的至少一种，优选为磁束缚电感耦合等离子体增强物理气相沉积法。
在一个示例中，采用磁束缚电感耦合等离子体增强物理气相沉积法在衬底上制备Zn1- xYbxO(x＝0～0.2)薄膜。所述衬底例如是蓝宝石衬底、硅片、碳化硅、玻璃。在沉积之前，衬底优选为预先进行清洗干净，清洗方法例如可采用湿化学法。在一个示例中，蓝宝石衬底的清洗方法可包括：(1)将蓝宝石衬底放入丙酮中超声清洗15min，然后用去离子水冲洗10min；(2)将蓝宝石衬底放入酒精中超声清洗15min，然后用去离子水中冲洗10min；
(3)将蓝宝石衬底用高纯N2吹干。
在一个示例中，沉积步骤可包括：
(1)将蓝宝石衬底、Zn1-xYbxO(x＝0～0.2)靶材放入腔室中；
(2)将腔室本底真空抽至≤3.0×10-3Pa，通以20～30sccm的流量入高纯Ar，然后将蓝宝石衬底加热至300℃；
(3)最后开启射频电源，在120W的功率下溅射2.5h。
辐照时，质子辐照剂量可为1×1014～4×1016cm-2。若质子辐照剂量小于该范围，则在薄膜中不会产生足够多的阳离子空位；若质子辐照剂量大于该范围，则高浓度的阳离子空位会团聚形成更大尺寸的空位团。
质子辐照能量可为2～3MeV，优选为2.8MeV。若质子辐照能量小于该范围，则质子会残留在薄膜中；若质子辐照能量大于该范围，则高能量的质子会破坏薄膜的结构。
另外，本发明对辐射过程的环境温度没有特别限制，例如可在室温下进行。
在一个示例中，(1)将蓝宝石衬底放入丙酮中超声清洗15min，然后用去离子水冲洗10min；2)将蓝宝石衬底放入酒精中超声清洗15min，然后用去离子水中冲洗10min；(3)将蓝宝石衬底用高纯N2吹干；(4)将蓝宝石衬底、Zn1-xYbxO(x＝0～0.2)靶材放入腔室中；
(5)将腔室本底真空抽至≤3.0×10-3Pa，以20～30sccm的流量通入高纯Ar，然后将蓝宝石衬底加热至300℃；(6)最后开启射频电源，在120W的功率下溅射2.5h；(7)在室温下，以能量为2.8MeV，剂量为1×1014～4×1016cm-2的质子流对薄膜进行辐照改性。
图3示出经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的正电子湮灭图谱，由图中可以看出，经质子辐照后在薄膜中产生了阳离子空位。质子辐照提高了薄膜中阳离子空位的浓度。本发明中，通过调节质子辐照剂量和/或辐照能量可以调控阳离子空位的浓度。
图4示出经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的室温磁滞回线，由图中可以看出，经质子辐照后薄膜表现为铁磁性的特征，其饱和磁化强度为0.2460emu/cm3。相对于未经质子辐照的Zn0.985Yb0.015O薄膜(其饱和磁化强度为0.1732emu/cm3)，饱和磁化强度提高了42.0％。
而且，本发明中，质子辐照对ZnO基稀磁半导体薄膜不产生破坏，即不会改变薄膜的组成和相。图1示出经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的XRD图谱。该图谱与六方纤锌矿ZnO标准PDF卡片相对应，除蓝宝石衬底的衍射峰外，只存在ZnO(100)及(002)峰位，且(002)峰的强度远大于(100)峰，表明薄膜中没有第二相且呈现良好的c轴择优取向。图2示出经辐照剂量为6×1015cm-2质子辐照后的Zn0.985Yb0.015O薄膜样品的XPS图谱，插图为Yb-4d的高分辨XPS图谱。表明该薄膜并不存在Yb的氧化物及ZnYb二元化合物。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
以下实施例1～3均以Zn0.985Yb0.015O薄膜为例。
实施例1
(1)将蓝宝石衬底放入丙酮中超声清洗15min，然后用去离子水冲洗10min；2)将蓝宝石衬底放入酒精中超声清洗15min，然后用去离子水中冲洗10min；(3)将蓝宝石衬底用高纯N2吹干；(4)将蓝宝石衬底、Zn1-xYbxO(x＝0～0.2)靶材放入腔室中；(5)将腔室本底真空抽至≤3.0×10-3Pa，以21sccm的流量通入通入高纯Ar，并使腔室的气压维持在1.2Pa，然后将蓝宝石衬底加热至300℃；(6)最后开启射频电源，在120W的功率下溅射2.5h；
(7)在室温下，以能量为2.8MeV，剂量为1×1014cm-2的质子流对薄膜进行辐照改性；
(8)测试结果表明，薄膜的室温饱和磁化强度为0.1894emu/cm3。相对于未经质子辐照的Zn0.985Yb0.015O薄膜(其饱和磁化强度为0.1732emu/cm3)，饱和磁化强度提高了9.35％。
实施例2
(1)将蓝宝石衬底放入丙酮中超声清洗15min，然后用去离子水冲洗10min；2)将蓝宝石衬底放入酒精中超声清洗15min，然后用去离子水中冲洗10min；(3)将蓝宝石衬底用高纯N2吹干；(4)将蓝宝石衬底、Zn1-xYbxO(x＝0～0.2)靶材放入腔室中；(5)将腔室本底真空抽至≤3.0×10-3Pa，以21sccm的流量通入通入高纯Ar，并使腔室的气压维持在1.2Pa，然后将蓝宝石衬底加热至300℃；(6)最后开启射频电源，在120W的功率下溅射2.5h；
(7)在室温下，以能量为2.8MeV，剂量为6×1015cm-2的质子流对薄膜进行辐照改性；
(8)测试结果表明，薄膜的室温饱和磁化强度为0.2460emu/cm3。相对于未经质子辐照的Zn0.985Yb0.015O薄膜，饱和磁化强度提高了42.0％。
实施例3
(1)将蓝宝石衬底放入丙酮中超声清洗15min，然后用去离子水冲洗10min；2)将蓝宝石衬底放入酒精中超声清洗15min，然后用去离子水中冲洗10min；(3)将蓝宝石衬底用高纯N2吹干；(4)将蓝宝石衬底、Zn1-xYbxO(x＝0～0.2)靶材放入腔室中；(5)将腔室本底真空抽至≤3.0×10-3Pa，以21sccm的流量通入通入高纯Ar，并使腔室的气压维持在1.2Pa，然后将蓝宝石衬底加热至300℃；(6)最后开启射频电源，在120W的功率下溅射2.5h；
(7)在室温下，以能量为2.8MeV，剂量为4×1016cm-2的质子流对薄膜进行辐照改性；
(8)测试结果表明，薄膜的室温饱和磁化强度为0.1811emu/cm3。相对于未经质子辐照的Zn0.985Yb0.015O薄膜，饱和磁化强度提高了4.56％。
产业应用性：
本发明方法稳定有效，可以在不破坏材料的前提下对ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性进行显著、有效的增强，这有利于自旋电子器件性能的提升和将来的实用化。

Claims (9)

1.一种增强ZnO基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的方法，其特征在于，以一定剂量的质子H+对ZnO基稀磁半导体薄膜进行辐照。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，质子辐照剂量为1×1014～4×1016cm-2。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，质子辐照能量为2～3MeV，辐照过程在室温下进行。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐照在ZnO基稀磁半导体薄膜中产生了阳离子空位，通过调节质子辐照剂量和/或辐照能量来调控阳离子空位的浓度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，经所述辐照后的ZnO基稀磁半导体薄膜的饱和磁化强度相对于辐照前提高了40%以上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐照不改变所述薄膜的组成和相。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述ZnO基稀磁半导体薄膜的化学通式为Zn1-xYbxO，其中0＜x≤0.2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法为物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和电化学方法中的至少一种，优选为磁束缚电感耦合等离子体增强物理气相沉积法。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法包括：
（1）将清洁干燥的衬底、Zn1-xMxO靶材放入腔室中；
（2）将腔室本底真空抽至≤3.0×10-3Pa，通入高纯Ar，然后将蓝宝石衬底加热至300℃；
（3）最后开启射频电源，在120W的功率下溅射2.5h。
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