摘要： 采用磁控濺射法在Si（100）襯底上制備了Zn0.98Cr0.02O薄膜。利用X射線衍射儀（XRD）、X射線光電子能譜分析儀（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）和綜合物性測(cè)量系統(tǒng)（PPMS）對(duì)所制備的樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、成分、形貌和磁性能分析，研究了襯底溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和磁性能的影響。XRD 分析表明，Zn0.98Cr0.02O薄膜樣品具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，呈c軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)；XPS顯示薄膜樣品中的Cr離子是+3價(jià)。磁性測(cè)量表明，Zn0.98Cr0.02O薄膜具有明顯的室溫鐵磁性，且隨著襯底溫度的升高，薄膜的鐵磁性逐漸減弱。

關(guān)鍵詞： 襯底溫度； Zn0.98Cr0.02O薄膜； 磁性； 磁控濺射

引言過渡金屬元素或稀土元素?fù)诫s而形成的稀磁半導(dǎo)體（DMS）在自旋電子學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用前景[12]。ZnO基的稀磁半導(dǎo)體由于是磁性、半導(dǎo)體性、機(jī)電和光學(xué)性質(zhì)等多功能共存的材料，在最近幾年得到廣泛的研究[35]。理論預(yù)測(cè)，在過渡金屬元素?fù)诫s的ZnO體系中存在高溫鐵磁性[6]，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在爭(zhēng)議。雖然有些稀磁半導(dǎo)體已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有室溫鐵磁性[78]，但有些研究結(jié)果顯示沒有鐵磁性或者鐵磁性是由第二相引起的[9]。到目前為止，關(guān)于稀磁半導(dǎo)體鐵磁性的起源仍然沒有達(dá)成共識(shí)。Cr是一種典型的過渡金屬元素，具有非常豐富的電子殼層結(jié)構(gòu)，Cr3+的離子半徑與Zn2+的離子半徑接近，這意味著Cr很容易進(jìn)入ZnO晶格，實(shí)現(xiàn)替位式摻雜[10]。但是，相對(duì)于已經(jīng)廣泛研究的Mn及Co摻雜ZnO 基稀磁半導(dǎo)體[1112]，Cr摻雜ZnO基稀磁半導(dǎo)體的研究無論是理論上還是實(shí)驗(yàn)上都比較少。而且，Cr摻雜ZnO基稀磁半導(dǎo)體的磁性仍舊沒有達(dá)成共識(shí)，因此，有必要進(jìn)行更為詳細(xì)的研究。本文采用磁控濺射法在不同襯底溫度下制備Zn0.98Cr0.02O薄膜，對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)、形貌及磁學(xué)性能進(jìn)行了研究。1實(shí)驗(yàn)利用GP 500D1型超高真空多功能磁控濺射設(shè)備，采用交替濺射法在Si（100）襯底上制備不同襯底溫度下的Cr摻雜ZnO薄膜樣品。襯底材料在成膜前分別用丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲清洗10 min，成膜時(shí)襯底材料保持水冷。采用的ZnO陶瓷靶和Cr金屬靶的純度分別為99.99%和99.95%。制備樣品時(shí)的工藝參數(shù)如下：本底真空度優(yōu)于4.0×10-4 Pa，工作壓強(qiáng)為1.5 Pa，靶距為70 mm，氬氧氣體體積流量比為9∶4，直流功率為128 W，射頻功率150 W，襯底溫度分別為300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃，在上述條件下濺射1 h制備薄膜樣品，并進(jìn)行退火處理。Cr摻雜ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)分析利用的是Rigaku Dmax2500型X射線衍射儀（Cu Kα射線源，λ=0.154 06 nm）；薄膜的表面形貌采用JEOL JSM6700F掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察；Cr的摻雜量采用掃描電子顯微鏡附帶能譜儀（EDS）確定；Cr元素的價(jià)態(tài)分析采用多功能X射線光電子能譜儀（PHI1600 ESCA）；用Quantum Design公司生產(chǎn)的PPMS9綜合物性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量室溫下薄膜的磁性。光學(xué)儀器第35卷

第3期付長(zhǎng)鳳，等：襯底溫度對(duì)Zn0.98Cr0.02O薄膜結(jié)構(gòu)和磁性的影響

圖4為在室溫下測(cè)量不同襯底溫度Zn0.98Cr0.02O薄膜磁滯回線。從圖中可以看出四個(gè)樣品都有明顯的磁滯現(xiàn)象，這說明材料表現(xiàn)出鐵磁性。當(dāng)襯底溫度為300 ℃時(shí)，樣品的飽和磁化強(qiáng)度為0.743 1 emu/g，矯頑力約為93 Oe；當(dāng)襯底溫度增加到450 ℃時(shí)，樣品的飽和磁化強(qiáng)度為0.235 2 emu/g，矯頑力約為244 Oe。這說明隨著襯底溫度的增加，飽和磁化強(qiáng)度逐漸減少，磁性逐漸減弱，因此襯底溫度發(fā)生變化時(shí)對(duì)樣品的磁性有一定的影響。由XRD和XPS分析可知，樣品的磁性可以排除Cr 及其氧化物等雜質(zhì)相產(chǎn)生，應(yīng)該來源于Zn0.98Cr0.02O薄膜本身，是材料的內(nèi)稟屬性。最近的研究表明，在磁性離子摻雜的ZnO中，其晶體的點(diǎn)缺陷對(duì)其室溫鐵磁性的產(chǎn)生起關(guān)鍵性作用[13]。當(dāng)襯底溫度為300 ℃時(shí)，樣品表現(xiàn)出很好的鐵磁性能，這是因?yàn)楫?dāng)襯底溫度比較低時(shí)，材料的結(jié)晶質(zhì)量比較差，氧空位缺陷比較多。根據(jù)BMP模型，在磁性離子間束縛一個(gè)電子的氧空位，這些氧空位與其鄰近的Cr3+相互作用，產(chǎn)生鐵磁性耦合。襯底溫度低時(shí)，氧空位缺陷較多，磁極化子占據(jù)的體積增大，從而增加了相鄰磁極化子重疊的可能性，使得Cr 離子之間出現(xiàn)直接鐵磁耦合，Zn0.98Cr0.02O體系表現(xiàn)出宏觀的鐵磁性。隨著襯底溫度的增加，氧空位缺陷逐漸減少，缺陷導(dǎo)致鐵磁性，氧空位缺陷濃度降低，使得薄膜的鐵磁性減弱。3結(jié)論采用磁控濺射法在硅襯底上制備Cr摻雜ZnO薄膜，并研究了不同襯底溫度對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和磁性的影響。XRD分析結(jié)果表明，當(dāng)襯底溫度發(fā)生變化時(shí)都沒對(duì)ZnO的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，仍為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，并呈c軸擇優(yōu)取向性生長(zhǎng)；XPS結(jié)果表明，樣品中摻雜的Cr原子是+3價(jià)；磁性測(cè)量結(jié)果表明，不同襯底溫度下樣品都具有室溫鐵磁性，鐵磁性起源于氧空位，當(dāng)襯底溫度升高時(shí)，樣品中的氧空位缺陷減少而使得薄膜的鐵磁性減弱。

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