氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备方法及其电荷浓度的原位调控方法技术

本发明专利技术涉及一种氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备方法及其电荷浓度的原位调控方法，所述氧化锌基稀磁半导体薄膜的组成化学式为Zn1-xMnxO，其中0≦x≦0.75，所述制备方法包括：以Zn1-xMnxO陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在铁电单晶衬底上，沉积Zn1-xMnxO，得到所述氧化锌基稀磁半导体薄膜。

【技术实现步骤摘要】
氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备方法及其电荷浓度的原位调控方法
本专利技术属于半导体薄膜材料
本专利技术涉及基于铁电单晶的外延氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备及电荷浓度原位调控技术，特别涉及一种可以原位、动态调控薄膜中电荷浓度的技术。
技术介绍
多年来，信息技术对电子电荷与自旋属性的应用是平行发展的，彼此之间相互独立。如果能在一种材料中同时利用电子的电荷属性和自旋属性，可以设计很多新型多功能自旋电子器件，并开发新的信息处理模式，从而获得更快的信息处理速率和更高的信息存储密度，这无疑将会给信息技术带来崭新的面貌。在半导体中掺入少量的磁性离子，使磁性离子随机部分取代晶格中的阳离子而形成的稀磁半导体，就是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性，并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料。直接跃迁宽禁带半导体氧化锌(ZnO)是研究最广泛，性能最丰富的半导体材料，室温具有纤锌矿结构，具有较高的激子结合能，较大的电子迁移率，以及很好的化学稳定性和热稳定性。ZnO基稀磁半导体近年来也成为了研究热点。由于更便于进行器件设计和纳米尺度研究，人们常常研究ZnO基稀磁半导体薄膜。稀磁半导体具有丰富的物理机制，目前科学界还没有达到共识。其中载流子浓度是影响其物理性能的关键因素之一。不同的实验小组尝试了各种方法改变薄膜中的电荷浓度，从而控制薄膜的物理性能。2006年，Xu等人在Phys.Rev.B上发表题名“Metal-insulatortransitioninco-dopedZnO:Magnetotransportproperties”的文章(Phys.Rev.B2006,73,205342)，在蓝宝石单晶衬底上生长掺钴氧化锌薄膜，通过改变磁性离子的浓度，基片的种类，薄膜厚度等条件来调节薄膜中的电荷浓度，从而获得电荷浓度对薄膜金属绝缘转变及磁阻等性质的影响规律。X.H.Xu等人在NewJournalofPhysics(8卷，135页，2008年)报道了通过改变掺杂磁性离子的种类和浓度，沉积氧压，薄膜厚度等条件在蓝宝石单晶上制备了具有不同载流子浓度的氧化锌基稀磁半导体薄膜，并研究了载流子浓度对薄膜磁性质的影响。上述关于电荷浓度调节的方法都需要制备多个样品，无法确保除电荷浓度之外的其他参数都保持一致，因此，很难获得电荷浓度对稀磁半导体薄膜物理性能的本征影响。此外，文献报道中大部分都选用蓝宝石单晶作为稀磁半导体薄膜的衬底，在铁电单晶上沉积稀磁半导体薄膜的结果尚未有报道。
技术实现思路
本专利技术旨在克服电荷浓度对稀磁半导体薄膜物理性能本征影响的技术难题，本专利技术提供了一种氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备方法以及其电荷浓度的原位调控方法。本专利技术提供了一种氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备方法，所述氧化锌基稀磁半导体薄膜的组成化学式为Zn1-xMnxO，其中0≦x≦0.75，所述制备方法包括：以Zn1-xMnxO陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在铁电单晶衬底上，沉积Zn1-xMnxO，得到所述氧化锌基稀磁半导体薄膜。较佳地，所述Zn1-xMnxO陶瓷块的纯度大于99.99％，所述铁电单晶包括铌镁酸铅-钛酸铅铁电单晶，取向包括(111)。较佳地，所述脉冲激光沉积技术的工艺参数包括：先将脉冲激光沉积系统的本底抽真空至≦5×10-4Pa，并加热衬底至500～600℃，再将反应室真空抽至≦5×10-4Pa，沉积温度400～750℃，沉积氧压0.001～1Pa，激光能量2～6J/cm2，沉积速率1～5nm/min。较佳地，所述沉积氧气的纯度≥99.999％，加热基材的升温速率为1-10℃/分钟，沉积结束后，以1-10℃/分钟的降温速率原位将制得稀磁半导体薄膜冷却至室温。较佳地，所述氧化锌基稀磁半导体薄膜的厚度为10-200nm。又，本专利技术还提供了一种原位调控上述方法制得氧化锌基稀磁半导体薄膜的电荷浓度的方法，所述氧化锌基稀磁半导体薄膜沉积在铁电单晶衬底上，所述方法包括：1)在所述氧化锌基稀磁半导体薄膜的表面以及铁电单晶衬底背面分别镀上金属电极；2)在步骤1)制备的两个金属电极上施加直流电场，使得所述铁电单晶室温铁电极化以及极化翻转，实现对氧化锌基稀磁半导体薄膜中电荷浓度的原位、动态调控。较佳地，所述金属电极包括金薄膜，银薄膜。较佳地，施加的直流电场大于铁电单晶衬底的矫顽场。较佳地，所述矫顽场为2～2.5kV/cm。较佳地，所述方法能够使得，氧化锌基稀磁半导体薄膜室温电阻变化率达20％-600％：随着薄膜沉积氧压的增大，薄膜室温载流子浓度减小，衬底极化翻转引起的薄膜电阻相对变化值相应增大。本专利技术的有益效果：本专利技术的有益结果是实现了氧化锌基稀磁半导体薄膜在铁电单晶上的外延生长，利用铁电单晶极化产生的表面电荷原位、动态调控薄膜中的载流子浓度，一方面可以得到电荷浓度对薄膜物理性能的本征影响，另一方面，室温下，衬底极化翻转对薄膜电阻的可逆、非易失性调控可用于存储器件原型。附图说明图1示出了本专利技术的一个实施方式中制备的Zn0.95Mn0.05O/PMN-29PT异质结构、并对Zn0.95Mn0.05O薄膜中电荷浓度进行原位调控的示意图；图2示出了实施例1中制备Zn0.95Mn0.05O/PMN-29PT(111)的结构表征结果，其中(a)为XRD图谱，(a)中插图为Zn0.95Mn0.05O薄膜表面原子力显微镜(AFM)图，(b)为Zn0.95Mn0.05O(10-11)面和PMN-29PT(001)面phi扫描图，(c)为低分辨透射电镜(TEM)图片(d)为Zn0.95Mn0.05O和PMN-PT面内原子匹配关系图；图3示出了实施例1所制得Zn0.95Mn0.05O薄膜电阻随着施加在PMN-29PT衬底上的双极性电压的变化(a)以及PMN-29PT单晶室温电滞回线及双极性应变曲线(b)；图4示出了实施例1所制得的Zn0.95Mn0.05O薄膜在不同温度，以及衬底不同极化态的磁阻曲线；图5示出了实施例2所制得的Zn0.95Mn0.05O薄膜电阻随着施加在PMN-29PT衬底上的双极性电压的变化；图6示出了实施例3所制得的Zn0.95Mn0.05O薄膜电阻随着施加在PMN-29PT衬底上的双极性电压的变化。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专利技术，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术提供了一种基于铁电单晶的外延氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备方法。本专利技术的目的还在于提供一种原位调控稀磁半导体薄膜电荷浓度的方法。本专利技术的目的是这样实现的：将氧化锌基稀磁半导体薄膜沉积在具有优异铁电、压电性能的铌镁酸铅钛酸铅单晶衬底上。本专利技术涉及基于铁电单晶衬底的外延ZnO基稀磁半导体薄膜的制备及电荷浓度原位调控的方法。本专利技术选用(111)取向的铌镁酸铅钛酸铅((1-x′)PbMg1/3Nb2/3O3-x′PbTiO3，PMN-x′PT，0.28≦x′≦0.34)铁电单晶作为衬底，实现了ZnO基稀磁半导体薄膜(Zn1-xMnxO，0≦x≦0.75)在其上的外延生长。选用钙钛矿结构的(111)PMN-x′PT单晶为衬底，通过单畴匹配实现纤锌矿结构的ZnO基稀磁半导体的外延生长，良好的外延界面是实现界面电荷调控的关键。在PMN-x′PT铁电单晶上施加直流电场，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化锌基稀磁半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述氧化锌基稀磁半导体薄膜的组成化学式为Zn1‑xMnxO，其中0≦x≦0.75，所述制备方法包括：以Zn1‑xMnxO陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在铁电单晶衬底上，沉积Zn1‑xMnxO，得到所述氧化锌基稀磁半导体薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种氧化锌基稀磁半导体薄膜电荷浓度的原位调控方法，其特征在于，所述氧化锌基稀磁半导体薄膜的组成化学式为Zn1-xMnxO，其中0≦x≦0.75，所述原位调控方法包括：1）以Zn1-xMnxO陶瓷块为靶材，采用脉冲激光沉积技术在（111）取向的铌镁酸铅-钛酸铅铁电单晶衬底上，沉积Zn1-xMnxO，得到氧化锌基稀磁半导体薄膜；2）在所述氧化锌基稀磁半导体薄膜的表面以及铌镁酸铅-钛酸铅铁电单晶衬底背面分别镀上金属电极；3）在步骤2）制备的两个金属电极上施加直流电场，使得所述铌镁酸铅-钛酸铅铁电单晶室温铁电极化以及极化翻转，实现对氧化锌基稀磁半导体薄膜中电荷浓度的原位、动态、可逆调控。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Zn1-xMnxO陶瓷块的纯度大于99.99%。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光沉积技术的工艺参数包括：先将脉冲激光沉积系统的本底抽真空至≦5×10-4Pa，并加热衬底至500～600℃，再将反应室真空抽...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱秋香，郑仁奎，李效民，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31