氧化锌薄片、孪晶的制备及锰掺杂氧化锌的磁性和拉曼散射

【摘要】氧化锌纳米材料在紫外激光器、场效应管、传感器、光电二极管、压电电子学、透明导电薄膜、太阳能电池和自旋电子学领域中均有潜在应用。本文涉及的氧化锌纳米材料均是通过气相输运冷凝法制备的,主要研究了如何通过金属催化剂调控氧化锌纳米材料的维度,如何通过金属合金催化剂调控氧化锌纳米材料中的缺陷,如何通过锰掺杂调控氧化锌中的电子、声子和自旋之间的耦合进而改变氧化锌的光学和磁学性质。本文分为五章。在第一章里,我们回顾了半导体产业的发展历程和氧化锌的研究进展并给出本文的切入点与主要内容。第二章主要涉及准二维氧化锌纳米薄片的制备、表征和器件应用。我们通过银纳米颗粒催化制备了10nm厚的氧化锌纳米薄片。常温荧光光谱显示可见峰位于650nm,变温荧光谱表明低温下发光由施主杂质贡献的束缚激子发光主导。利用电子束光刻技术制备了基于氧化锌纳米薄片的场效应管。研究发现在吸附氧存在的情况下,器件呈现N增强型,具有可达到～108的开关比和254cm2/Vs的场效应迁移率,载流子浓度为～1018cm3；在没有氧气吸附的情况下,具有-250cm2/Vs的场效应迁移率和载流子浓度为～1020cm3,而开关比仅有5。上述结果表明：这种准二维氧化锌纳米薄片可以形成空间受限二维电子气,但是由于氧化物表面丰富的缺陷使得二维电子的密度过大,难以通过门电压调控；若表面吸附一层氧气分子,表面耗尽可以有效降低二维电子气的密度,从而呈现可被门电压调控的优异性能。最后我们对氧化锌纳米薄片FET器件的进一步优化进行了展望。在第三章里,我们通过采用5nmAu和5nmAg复合膜制备的合金作为催化剂,诱导生长出氧化锌纳米孪晶薄片,高分辨表征证实其为[2-1-10]/{10-13}孪晶。一系列的对比实验显示：在锌蒸汽过饱和度低的情况下,即使有AgxAu1-x合金存在,也不会有二维孪晶生成；单独应用10nmAu和10nmAg做为生长衬底以及不用任何催化剂的情况下均不能制备孪晶结构。因此,高的锌蒸汽浓度和AgxAu1-x合金催化作用是孪晶成核的必要条件。此外,通过改变催化剂中不同的Au-Ag比率可以发现,在Ag0.67Au0.33合金衬底上获得孪晶的产率明显大于Ag0.33Au0.67合金衬底。与已报道的孪晶氧化锌纳米结构的制备需要较高的温度(-900℃)相比,我们的孪晶纳米片的制备仅需要相对较低的温度(-650℃),表明AgxAu1-x合金能有效降低氧化锌的层错能。在第四章里,我们制备了不同掺杂浓度的锰掺杂氧化锌纳米结构,通过对系列样品的室温PL表征,发现随着锰掺杂浓度的升高,氧化锌中同氧空位相关的可见发光峰强先增强后减弱,这一结果与XPS表征的材料中的氧空位浓度并不一致。价带谱显示锰掺杂引起了一个氧化锌带间的杂质能带,其位于导带底下2.2eV左右。结合氧化锌的紫外峰强随锰掺杂浓度的增强而减弱的实验事实,我们认为锰掺杂导致的杂质能带提供了额外的无辐射跃迁通道,使得氧化锌自由激子的寿命变短,导致紫外光强单调减少,而可见光强的变化来源于两种无辐射跃迁通道的竞争。另一方面,随着锰掺杂增加,氧化锌紫外发光峰位发生蓝移,表明锰成功掺入到氧化锌晶格中。此外,我们还观察到锰掺杂氧化锌中存在室温铁磁性,低温顺磁性的反常磁性行为,可能源于载流子诱导的铁磁行为。对低温顺磁性的分析发现,大部分锰离子是以锰-锰反铁磁对的形式存在的,其余的以孤立的顺磁离子形式存在。在第五章里,我们发现锰掺杂氧化锌材料的拉曼光谱中存在锰相关振动模式的共振效应。在514.5nm激光激发下,锰相关振动模式显示有多级散射峰。通过表征不同波长激光激发下拉曼光谱,验证了多声子散射的共振拉曼特性,显示了多级声子散射拉曼过程涉及真实的电子态跃迁。这一跃迁对应锰离子在外界光激发下的离化过程：锰离子的一个d轨道电子被激发到氧化锌导带,同时产生一个局域化的束缚激子,激子回到初态时,其能量一部分发射一个光子,另一部分通过多声子散射过程耗散掉。变温拉曼光谱研究发现多声子散射的截面随温度呈现T-1/2变化。最后我们讨论了光离化锰离子改变晶格自旋电荷相互作用的可能机制,并对杨-泰勒效应在多声子过程中以及锰-锰离子对的双交换作用中起的作用进行了分析。
【作者】高志伟；
【导师】王晓平；
【作者基本信息】中国科学技术大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】氧化锌薄片；孪晶；合金催化；磁性掺杂；拉曼散射；

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