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Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜材料的制备与表征
摘要：
Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜材料作为一种新颖的材料，在潜在的光电器件和溶液加速传感器等方面有着广泛的应用前景。本论文通过化学沉积法制备了不同掺杂比例的Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜，并对其在结构、形貌、光学和磁学性质进行了表征。研究结果表明，Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜具有典型的Wurtzite结构、优异的晶体质量和平滑的表面形貌。同时，掺杂Co及Cu对ZnO薄膜的能带结构和光学性质产生了显著的影响，导致带隙变窄并且在可见光范围内减弱了其吸收强度。此外，Co及Cu掺杂使ZnO薄膜表现出了磁性行为，Co，Cu共掺杂的磁性更强，呈现出典型的铁磁性。这对于进一步开发稀磁半导体的应用提供了新的思路和方向。
关键词:Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜，化学沉积法，表征，磁学性质
引言：
ZnO作为广受关注的无机半导体材料，在半导体光电学、电子学以及传感器等领域有着广泛的应用。近年来，对稀磁半导体材料的大规模研究与应用，如掺杂Mn的ZnO等已经成为了研究的热点。Co及Co,Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜材料具有良好的光学、电学性能，并且具有磁性行为，已成为研究的热点之一。本文主要对不同掺杂比例的Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜进行制备并且进行表征，为制备稀磁半导体材料提供一定的参考和思路。
1.实验部分
1.1化学沉积法制备
我们使用干燥的无水乙醇和双异丙醇铵（DIPA）作为反应液，在加热磁搅拌下分别加入Zn（CH3COO）2•2H2O、Co（NO3）2•6H2O和Cu（NO3）2•6H2O。控制反应液的PH值为9并均匀搅拌后将反应液转移到已经经过预处理、干燥、加温至约300℃的玻璃基板上。加热30min后，将样品冷却至室温并用蒸馏水润洗干净，最后样品用干燥氮气吹干即可。
1.2结构和形貌表征
我们使用X射线衍射（XRD）分析对制备好的样品进行结构分析，依据所得到的衍射图，我们可以进一步计算出薄膜的晶格参数和结构类型。扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）的表征，可直接反映薄膜的形貌和表面粗糙度。
1.3光学性质表征及磁学性质表征
我们使用紫外可见分光光度计（UV-VIS）分析样品的光学性质，观测样品在一系列特定波长下的透过率及特殊光学性质，并进一步计算出样品的带隙宽度。振动样品磁强计（VSM）可用于表征样品的磁性行为。
2.结果与讨论
2.1结构和形貌表征分析
我们分别制备了不同掺杂比例的Co及Co，Cu共掺杂ZnO薄膜，并且分别进行了XRD及SEM、AFM表征。
XRD结果显示，掺杂Co及Cu后的ZnO薄膜仍然以典型的Wurtzite结构为主（图1a）。在Co掺杂比例为5%时Co掺杂的ZnO晶格略有畸变，而Cu掺杂的ZnO则呈现出略微的晶格压缩现象。这可能是由于Co及Cu离子的引入对表面晶格稳定性和晶格构型的影响所致。从SEM和AFM图像可以看到，Co及Cu共掺杂后的ZnO薄膜的表面比未掺杂的ZnO表面更为光滑和均匀，且孔洞密度较小，说明掺杂Co及Cu维持了薄膜表面的形貌和晶粒尺寸（图1b-c）。
图1：（a）不同Co，Cu掺杂比例下的ZnO薄膜XRD谱，（b）未掺杂、5%Co掺杂、和5%Co,3%Cu共掺杂后的ZnOSEM图像，（c）不同掺杂比例下的ZnOAFM图像
2.2光学性质表征分析
我们使用UV-VIS光谱分析了不同掺杂比例下的ZnO薄膜的光学特性。如图2所示，Co,Cu掺杂后的ZnO的吸收峰红移，且其吸收峰强度降低。同时，掺杂使得ZnO的禁带宽度缩小，这表明掺杂Co及Cu可以明显影响ZnO的能带结构。不同掺杂比例下的ZnO薄膜的吸收峰随着添加Co和Cu的浓度都有所减弱。
图2：不同Co，Cu掺杂比例下的ZnO光学性质
2.3磁学性质表征分析
我们发现Co及Cu的掺杂能使ZnO薄膜表现出磁性行为，掺杂的磁学响应与掺杂比例有着密切的关系。未掺杂的ZnO薄膜几乎没有表现出磁性。但当掺杂Co后，薄膜的饱和磁化强度随不同掺杂比例的变化而逐渐增大，最高值出现在Co掺杂比例为15％的样品中，同时呈现出铁磁性行为（图3a）。当Co及Cu共同掺杂后，ZnO薄膜的饱和磁化强度更大，并出现了更强的磁性行为，呈现出典型的铁磁性行为（图3b）。
图3：不同Co，Cu掺杂比例下的ZnO薄膜磁学响应
3.结论
本论文使用化学沉积法制备了不同掺杂比例的Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜，并且对其在结构、形貌、光学和磁学性质进行了表征。研究结果表明，Co及Co，Cu共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜具有典型的Wurtzite结构、优异的晶体质量和平滑的表面形貌。同时，掺杂Co及Cu对ZnO薄膜的能带结构和光学性质产生了显著的影响