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1、第35卷第5期核技術(shù)Vb1．35．NO．52012年5月NUCLEARTECHNIQUESMav2012SR_XI和EXAFS研究Mn摻雜ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)張斌李敏王建中施立群承煥生楊鐵瑩文聞胡鳳春1(復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所上海2000433)2(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所上海201204)3(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室合肥230029)摘要用射頻磁控濺射技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備了一組不同襯底溫度的Mn摻雜ZnO薄膜。質(zhì)子激發(fā)x射線熒光(PIXE)N量表明，薄膜中僅有含量為5at．％的Mn，未見(jiàn)其它磁性雜質(zhì)元素(如Fe、c0、Ni等)。同步輻射x射線衍射
2、(SR—XRD)表明，這些Mn摻雜ZnO薄膜具有纖鋅礦ZnO結(jié)構(gòu)。SR—XRD和擴(kuò)展x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(EXAFS)分析顯示，薄膜中未發(fā)現(xiàn)Mn團(tuán)簇或MnO、MnO2、Mn203、Mn304等二次相，Mn原子是通過(guò)替代Zn原子而進(jìn)入了ZnO晶格。關(guān)鍵詞同步輻射x射線衍射，擴(kuò)展x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜，Mn摻雜ZnO薄膜，微觀結(jié)構(gòu)中圖分類號(hào)0722+．8，0472+．5稀磁半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)電荷和自旋的同時(shí)操縱，可ZnO晶體結(jié)構(gòu)以及Mn占位的影響。極大地提高磁存儲(chǔ)的傳輸效率，可望應(yīng)用于高密度非易失性存儲(chǔ)器、磁光感應(yīng)器、自旋量子計(jì)算機(jī)等1實(shí)驗(yàn)方法領(lǐng)域而日益受到關(guān)注I1J。Mn摻
3、雜ZnO稀磁半導(dǎo)體用射頻磁控濺射技術(shù)濺射ZnO(99．99％)和可注入數(shù)量很大的白旋載流子]，是稀磁半導(dǎo)體領(lǐng)Mn(99．99％)復(fù)合靶，在藍(lán)寶石襯底(99．999％)上制備域的研究熱點(diǎn)。已有許多關(guān)于Mn摻雜ZnO體系的Mn含量為5at．％的Mn摻雜ZnO薄膜。靶室本底壓室溫鐵磁性的報(bào)道，但鐵磁性差異很大，且實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)低于6．0x10-4Pa時(shí)，通入高純Ar(99．999％)工作重復(fù)性也很低，甚至不同作者用相同方法得出截然氣體，Ar流量20mL／min，靶室壓強(qiáng)固定在0．5Pa，相反的結(jié)論，其根源是鐵磁性來(lái)源問(wèn)題：其鐵磁性濺射功率為90w。薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量及微觀結(jié)構(gòu)依賴于
4、是源于Mn的替位效應(yīng)，oJ，還是源于Mn在ZnO中襯底溫度，選擇室溫、300。C、500。C和700。C為襯的偏析物(如MnO、MnO2、Mn203、Mn304等二次底溫度，用自動(dòng)控溫裝置對(duì)襯底精確控溫。濺射前相或Mn團(tuán)簇1【71。理解鐵磁來(lái)源，須研究樣品的微進(jìn)行20min的預(yù)濺射，以清洗靶表面的污染。觀結(jié)構(gòu)，特別是Mn在ZnO中的占位情況。稀磁半Mn含量由復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用離子束物理教育部重導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)表征是了解其磁性來(lái)源的核心科學(xué)問(wèn)題點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的外束PIXE測(cè)量。SR—XRD測(cè)量是在上J，但常規(guī)分析手段(如常規(guī)xRD)很難探測(cè)到稀磁海光源的BL14B1線站上做的，x射線
5、波長(zhǎng)為半導(dǎo)體中低濃度磁性離子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息。0．1239811m。Mn的K邊EXAFS熒光譜是在合肥國(guó)SR．XRD[101的靈敏度高，能檢出樣品中的二次家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的U7C線站上采集的。相或團(tuán)簇；而EXAFS[11,12]具有短程有序敏感的特點(diǎn)，能給出諸如近鄰配位原子種類、距離、配位數(shù)2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析和無(wú)序度等局域結(jié)構(gòu)信息，是研究過(guò)渡金屬摻雜原子在ZnO晶格中的結(jié)構(gòu)環(huán)境的有力手段。本文用上圖l是襯底溫度為500。C的樣品外束PIXE譜，其僅有Mn、Zn和來(lái)自于Al2O3襯底的Al峰以及來(lái)述兩種技術(shù)研究Mn摻雜ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，給出Mn原子周圍的局域環(huán)境信息
6、，探討襯底溫度對(duì)自于空氣的Ar峰，并無(wú)Fe、Co、Ni等磁性雜質(zhì)存國(guó)家自然科學(xué)基金(10775033、11075038)．~DJ2海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助(B107)第一作者：張斌，男，1971年出生，2004年于復(fù)旦大學(xué)獲博士學(xué)位，粒子物理與原子核物理收稿日期：2012．02．29，修回日期：2012-04—05322核技術(shù)第35卷在。用GUPIX一96程序解譜得到這一組樣品的纖鋅礦ZnO結(jié)構(gòu)的(002)和(004)峰；而室溫樣品除Mn含量均為5at．％。上述兩峰外，在28．76。和53．1lO還出現(xiàn)兩峰，分別Mn摻ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)用SR．XRD測(cè)量，對(duì)應(yīng)于
7、ZnO結(jié)構(gòu)的(101)和(112)峰。顯然，在圖2為所有樣品的SR．XRD圖。襯底溫度為300。C、SR．XRD的靈敏度范圍內(nèi)，樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Mn團(tuán)500。C和700~C的樣品，僅有兩個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)于簇或MnO、MnO2、Mn2O3、Mn3O4等二次相。圖·藍(lán)寶石襯底500~C~ZnM050薄膜的圖2Fg不．2同譜典型．外?束PIX一E譜一???Fig．1AtypicalexternalPIXEspectrumoftheZno95Mno050““““?表1來(lái)自于SR-XRD的znn．95Mnl_II5O薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)和EXAFS分析的局域結(jié)構(gòu)參數(shù)Table1Stru
8、cture
