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研究生: 陳宜瑢
Chen, Yi-Jung
論文名稱: 氧化鋅摻雜鋱薄膜結構與磁性質之研究
Structure and magnetic properties of Tb doped ZnO thin films
指導教授: 黃榮俊
Huang, Jung-Chun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 氧化鋅稀土元素稀磁性半導體
外文關鍵詞: ZnO, rare-earth, DMS
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  • 本研究利用離子束濺鍍系統,在sapphire c-plane基板上成長氧化鋅摻雜鋱薄膜,並固定5% Tb摻雜量。實驗分三個部分,室溫下改變氧壓成長、氧氣下退火處理及氫氣下退火處理,分別研究其結構、磁性、電性關係。我們觀察到所有樣品均有室溫鐵磁性。
    在改變氧壓的樣品中,由XRD及PL量測,c軸的結構隨著氧壓升高變好,但繞射峰形貌不對稱,這是由於室溫下薄膜沉積時與基板之間產生的應力所造成的。樣品的導電性在無氧壓及低氧壓為n-type半導體。然而,隨著氧壓增高樣品呈絕緣態。磁性量測觀察到飽和磁化量隨著氧壓升高而減小。
    在氧氣下退火處理,隨著退火溫度上升(650℃~850℃),樣品結構與結晶性都大幅改善,但樣品都成絕緣態,且退火950℃時樣品會出現第二相,磁性量測上,飽和磁化量隨著退火溫度升高而下降。
    氫氣下退火時,由XRD及PL分析樣品結構及導電性都隨著溫度升高變差。在氫氣下退火於300℃時有最大的飽和磁化量5.37emu/cm3,接著磁性又隨氫氣下退火溫度升高而下降。有趣的是,載子濃度隨著退火溫度上升而變高。

    由三個實驗結構、磁性、電性分析總結,我們所製備Tb摻雜於ZnO薄膜的磁性來源,無法使用單純使用束縛極化子模型或是載子引致來解釋其磁性來源。解釋氧化鋅摻雜Tb的傳輸與磁性研究是需要一個新理論。

    In this study, we grown 5% Tb doped ZnO thin films on c-plane sapphire by ion-beam sputtering system. The experiments were divided into three parts: A. Under different oxygen pressure B. annealing in O2 C. annealing in H2 . We observed all the Tb doped ZnO samples are room temperature ferromagnetic.
    The samples of A-series were grown at room temperature with different oxygen pressure. The c-axis orientation structures of the thin films became better with increasing oxygen pressure revealed by XRD and PL analysis. The shape of XRD peaks is asymmetric owing to the stress between the substrate and the thin film. The electric conductivity of sample grown in low oxygen pressure is n-type semiconductor. However, the samples grown in high oxygen pressure were insulator. The saturation magnetization decreased with increasing oxygen pressure.
    In B-series, with increasing annealing temperature (650℃~850℃) in O2, the structures and crystalline of the samples were significantly improved, but the electric conductivity were insulator. The samples with annealing at 950℃ lead to the formation of the secondary phase. In this part, the saturation magnetization decreased with annealing temperature in O2.
    In C-series, we observed that structure and electric conductivity of samples decrease with increasing annealing temperature in H2. The samples with annealing at 300℃ have maximum saturation magnetization (Ms~5.37 emu/cm3), and that of samples decrease with increasing annealing temperature in H2. Interestingly, the carrier concentration increased with the increase of annealing temperature in H2.

    According to three parts that the structures, magnetic properties and the electrical analysis. The results cannot be explained by Bound Magnetic Polaron (BMP) or carrier-induced ferromagnetism model.

    第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 稀磁性半導體介紹 2 1-3 相關文獻回顧 5 1-4 研究動機 10 第二章 基礎理論 11 2-1 ZnO薄膜特性簡介 11 2-2 磁性的基本理論 14 2-2-1反磁性 16 2-2-2順磁性 16 2-2-3鐵磁性 18 2-3 鐵磁性來源 20 2-3-1 束縛極化子模型 (Bound Magnetic Polaron, BMP) 20 2-4 稀土材料簡介 22 第三章 實驗儀器 26 3-1 實驗成長儀器 26 3-1-1 離子束濺鍍系統(Ion-Beam Sputtering System) 26 3-1-2 管狀高溫爐 30 3-2 實驗測量儀器 31 3-2-1 X-ray 繞射儀(XRD) 31 3-2-2 光致螢光光譜儀(Micro-Photoluminescence, μ-PL) 33 3-2-3 超導量子干涉磁量儀(SQUID) 34 3-2-4 電性量測 34 3-2-5 X-ray吸收光譜 (XAS) 35 3-2-6 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy,TEM) 42 3-3 實驗流程 45 第四章 實驗結果與討論 46 4-1 不同氧壓成長[ZnO0.95Tb0.5]25實驗結果分析 48 4-1-1 不同氧壓成長[ZnO0.95Tb0.5]25 結構分析 48 4-1-2 不同氧壓成長[ZnO0.95Tb0.5]25 PL分析 51 4-1-3 不同氧壓成長[ZnO0.95Tb0.5]25 磁性分析 52 4-1-4 不同氧壓成長[ZnO0.95Tb0.5]25 電性分析 54 4-1-5 不同氧壓成長[ZnO0.95Tb0.5]25 Tb LⅢ-edge延伸吸收光譜 55 4-1-6 本節結論 56 4-2 氧氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25實驗結果分析 57 4-2-1 氧氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 結構分析 57 4-2-2 氧氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 PL分析 59 4-2-3 氧氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 磁性分析 61 4-2-4 氧氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 Tb LⅢ-edge 延伸吸收光譜 63 4-2-5 氧氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 TEM分析 64 4-2-6 本節結論 66 4-3 氫氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25實驗結果分析 68 4-3-1 氫氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 結構分析 68 4-3-2 氫氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 PL分析 70 4-3-3 氫氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 磁性分析 71 4-3-4 氫氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 電性分析 73 4-3-5 氫氣下退火處理[ZnO0.95Tb0.5]25 Tb LⅢ-edge延伸吸收光譜 74 4-3-6 本節結論 75 第五章 結論 76 Reference 79

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