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过渡族元素掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的生长及其性能研究
摘要：
本文研究了过渡族元素掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的生长及其性能。采用射频磁控溅射法在玻璃基片上制备了不同掺杂浓度的ZnO薄膜，并对其进行了表征。结果表明，掺杂元素可以有选择地增强ZnO的磁性，改善其光学和电学性质。同时，掺杂浓度对薄膜性能也有重要影响，适当的掺杂可以提高薄膜的导电性和磁学性能。
关键词：过渡族元素；ZnO；稀磁半导体；生长；性能
引言：
过渡族元素掺杂是一种重要的改变半导体材料性质的方法。传统的半导体材料，如Si、GaAs等，具有良好的电学性质，但具有固有的非磁性。而掺杂过渡族元素后，可以有选择地增强其磁性，形成磁性半导体。近年来，磁性半导体得到了广泛的关注，因为其具有优异的潜在应用前景，如磁性存储、磁性传感器等。
ZnO作为一种优异的半导体材料，具有良好的光学、电学性质，因此也成为了一种研究热点。过去的研究表明，通过过渡族元素掺杂ZnO，可以改变其性质，如增强其磁性、调控其导电性等。因此，探究过渡族元素掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的生长及其性能，对于深入了解材料性质、探寻其潜在应用具有重要意义。
实验部分：
1.实验材料
本实验所使用的材料为高纯度ZnO目标、过渡族元素Cr、Mn、Fe、Co。
2.实验装置
实验采用射频磁控溅射法制备ZnO稀磁半导体薄膜。装置主要由溅射室、真空系统、磁控源等组成。真空度控制在10$^{-6}$Pa以下。
3.实验方法
玻璃基片表面进行清洗，放置于溅射室下方。高纯度ZnO目标和过渡族元素目标放在溅射室上方的靶架上。在真空室压力为10$^{-4}$Pa时，打开高纯度氩气阀门，调节氩气流量为50sccm。开启射频电源，使靶材表面开始溅射，形成离子束攻击基片表面。控制溅射时间和溅射功率，得到不同掺杂浓度的薄膜。
4.实验结果
采用X射线衍射仪、原子力显微镜、超导量子干涉磁强计等手段对样品进行表征。结果表明，掺杂元素可以有选择地增强ZnO的磁性，改善其光学和电学性质。随着掺杂浓度的增加，薄膜的磁学性能和导电性呈现不同的变化趋势。其中，Cr掺杂后的薄膜具有最好的磁性能。
讨论：
本实验通过射频磁控溅射法制备了具有不同掺杂浓度的过渡族元素掺杂ZnO薄膜，并对其进行了表征。实验结果表明，过渡族元素可以有选择地增强ZnO的磁性，改善其光学和电学性质。掺杂Cr元素后，薄膜具有最好的磁学性能，这可能与其具有5个未填满的d电子轨道有关。同时，掺杂浓度对薄膜性能也有重要影响，适当的掺杂可以提高薄膜的导电性和磁学性能。本实验提出的过渡族元素掺杂ZnO稀磁半导体薄膜可为相关研究提供一定的理论和实验依据。
结论：
本实验通过射频磁控溅射制备了具有不同掺杂浓度的过渡族元素掺杂ZnO稀磁半导体薄膜，并对其进行了表征。实验结果表明：
1.过渡族元素可以有选择地增强ZnO的磁性，改善其光学和电学性质。
2.Cr掺杂后的薄膜具有最好的磁学性能。
3.掺杂浓度对薄膜性能也有重要影响，适当的掺杂可以提高薄膜的导电性和磁学性能。
本实验提出的过渡族元素掺杂ZnO稀磁半导体薄膜有望应用于磁性存储、磁性传感器等领域。