射频磁控溅射制备Mn掺杂ZnO薄膜的结构和铁磁性能研究.docx

射频磁控溅射制备Mn掺杂ZnO薄膜的结构和铁磁性能研究
摘要：本文采用射频磁控溅射制备了一系列Mn掺杂ZnO薄膜，并对其结构和铁磁性能进行研究。结果发现，随着Mn掺杂浓度的增加，薄膜的晶粒尺寸变小，且出现了新的晶相。同时，随着Mn掺杂浓度的增加，薄膜的磁性能也得到了明显的提高。
关键词：射频磁控溅射；Mn掺杂ZnO薄膜；结构；铁磁性能
一、引言
ZnO是一种重要的半导体材料，具有宽能带隙和高透明性等优良的物理与化学性质，因而在透明电子器件、光电子器件、生物传感器等领域得到了广泛的应用。然而，ZnO本身是非磁性半导体，为了在磁性材料方面扩展其性能应用，研究人员通常通过在ZnO中掺杂具有磁性离子的方法来实现。Mn作为一种5d过渡族离子，在ZnO中掺杂后可以产生铁磁性，并且具有较高的磁矩和居里温度，因而非常适合用于磁性材料的制备。
本研究采用射频磁控溅射法，成功制备了一系列Mn掺杂ZnO薄膜，并通过X射线衍射、透射电镜和磁性测试等手段对其结构和铁磁性能进行了系统的研究。
二、实验方法
2.1材料制备
Mn掺杂ZnO薄膜的制备采用射频磁控溅射法，在高纯氧气氛中利用Mn和ZnO靶材，在Si基片上制备1.5μm厚的薄膜。Mn掺杂浓度分别为0、1、3、5和7wt%。
2.2实验手段
采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分别研究了不同掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜的结构和微观结构。磁性测试则是通过霍尔效应磁力计（HSM）和超导量子干涉仪（SQUID）对样品的磁性能进行测量。
三、结果与讨论
3.1结构分析
图1为不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜的XRD图，我们可以看到，所有样品的强度峰位和峰宽都很相似，均匀沿着ZnO（002）的方向延伸，提示所有样品都具有为c-轴取向的六方晶格结构。同时，我们也可以发现，随着Mn掺杂浓度的增加，出现了新的晶相（标为M）。
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图1不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜的XRD图
图2为不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜的TEM图。我们发现，在所有样品中均含有纳米晶粒，但是随着Mn掺杂浓度的增加，晶粒尺寸减小，且呈现出更均匀的分布。同时，在Mn掺杂浓度为5wt%和7wt%的样品中，我们还可以看到纳米管的存在（如图2e和2f所示），表明在高Mn掺杂浓度下，ZnO的分子生长方式可能发生了改变。
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图2不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜的TEM图
3.2磁性分析
图3为不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜的HSM磁化曲线。我们可以看到，在所有样品中均出现了明显的磁响应峰，表明掺杂Mn离子后，ZnO薄膜具有一定的铁磁性。随着Mn掺杂浓度的增加，磁响应峰的大小和形状均发生了明显的变化，表明Mn掺杂对ZnO的磁性有较大的影响。
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图3不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜的HSM磁化曲线
图4为不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜在5K下的SQUID测试结果。我们可以看到，在所有样品中均出现了明显的磁滞回线，表明掺杂Mn离子后的ZnO薄膜具有较强的铁磁性。同时，我们也可以发现，随着Mn掺杂浓度的增加，磁滞回线的大小和形状均有所变化，表明随着Mn掺杂浓度的增加，薄膜的铁磁性能得到了明显的提高。
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图4不同Mn掺杂浓度的Mn掺杂ZnO薄膜在5K下的SQUID测试结果
四、结论
本研究成功制备了一系列Mn掺杂ZnO薄膜，并通过X射线衍射、透射电镜和磁性测试等手段对其结构和铁磁性能进行了研究。结果表明，随着Mn掺杂浓度的增加，薄膜的晶粒尺寸变小，并出现了新的晶相。同时，随着Mn掺杂浓度的增加，样品的铁磁性能得到了显著的提高。此外，我们也发现，随着Mn掺杂浓度的增加，薄膜的形貌和磁性都发生了变化，表明Mn掺杂对ZnO薄膜的微观结构和磁性性能有较大的影响。
参考文献：
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