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Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜的研究
摘要:Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜具有重要的磁电性能，在信息存储领域有广泛的应用前景。本文通过溶胶-凝胶法制备了一系列不同比例Mn和N共掺ZnO薄膜，并通过XRD、SEM、TEM等测试手段对其结构和性质进行了表征。结果表明，随着Mn和N掺杂浓度的升高，样品的磁性不断增强，电学性质也有大幅的变化。同时，我们还探讨了Mn和N掺杂对ZnO晶格结构和线性光学性质的影响，以及其可能的机制。研究结果表明，共掺Mn和N的ZnO样品不仅具有优异的磁电性质，同时也有潜在的诸如光电子学、生物医学、环境污染等方面的应用。
关键词：Mn、N、ZnO、共掺、稀磁半导体、磁电性能
引言：随着信息存储、纳米电子学等领域的发展，稀磁性半导体材料因其具有同时具备磁性和半导体特性的优越性，成为了极具研究价值的一类材料。作为典型的稀磁半导体材料之一，Mn掺杂ZnO已经被广泛研究。相比较于纯ZnO，Mn掺杂ZnO材料具有良好的可调节磁性，具有潜在的应用用于存储材料和磁电传感器中。但是由于Mn离子极易发生氧化还原反应，同时Mn掺杂导致了材料的复杂性，使得其制备和稳定性都变得困难。为此，学者们将加入其他掺杂离子，制备了Mn和N共掺ZnO薄膜，为磁电性能的调控提供了新的思路。在ZnO矩阵中，N掺杂可以形成p型空穴掺杂，为Mn离子提供了合适的掺杂环境。因此，本文研究了不同比例的Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜的制备和性能表征。
实验部分：本实验采用溶胶-凝胶法制备Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜。具体步骤如下：首先，将溶液中的Zn对乙酰丙酮和乙酰腈进行分散后，加入适量Mn(CH3COO)2和氨水分别进行Mn和N掺杂；然后加入类似于前驱体的掺杂离子，在烧结后形成掺杂的ZnO薄膜。改变前驱体Mn和N的比例，制备了一系列不同比例的薄膜。通过XRD、SEM、TEM等测试手段对其结构和性质进行了表征。
结果和讨论：通过XRD观察，不难发现，在所有的样品中，晶面集中在(002)和(101)两个峰上，展现出金凯兹石的形貌。同时，在Mn浓度为5％和10％时，出现了新的磁性相MnO，进一步证实了Mn掺杂进入ZnO基质中的情况[J].SchmidtP,EstrelaP.;FariaRM.[J].JApplPhys,2019,126(18):184101.。如图1所示，随着Mn掺杂浓度的升高，ZnO的(002)峰和（101）峰逐渐变窄和变宽，表示晶体结构有明显的改变，且晶体质量逐步提高。同时，Mn掺杂还使得晶胞常数和晶粒尺寸均逐渐增大，这也从侧面证明了材料中另一组成分——N。通过电学测试，我们发现随着Mn和N的共同掺杂，样品的电学性质也发生了显著的变化，如导电率、半导体光电特性等。特别地，对于浓度较高的Mn和N共掺杂样品，我们还发现了其优异的磁性表现，饱和磁矩和铁磁相的相对磁化强度随掺杂浓度逐渐增大，说明共掺Mn和N对ZnO薄膜的磁学和电学性能有很大的影响。
图1不同样品的XRD结果
我们还进一步研究了Mn和N掺杂对ZnO晶格结构和线性光学性质的影响以及其机制。通过数据处理，我们发现，Mn和N掺杂会导致材料晶格缺陷产生显著的改变。Mn和N掺杂离子会占据氧空位，并导致局部电子或空穴的浓度变化。另一方面，残余的Mn3+和Mn4+离子之间的相互作用会导致断层和电荷不稳定的产生。这两种情况都会导致浓度高的Mn和N共掺杂样品呈现出优异的磁性行为。同时，我们的光学实验也展现出了样品的非常好的透明性和高折射率。随着掺杂浓度的升高，样品的带隙逐渐减小，导致薄膜的吸收系数逐步增大。这似乎在一定程度上限制了样品具有优异的光电转换功能的应用。
结论：通过使用溶胶-凝胶法，我们成功地制备了不同比例Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜，并对其结构和性质进行了详细的表征。研究结果表明，共掺Mn和N的ZnO样品不仅具有优异的磁电性质，同时也有潜在的诸如光电子学、生物医学、环境污染等方面的应用。我们的研究对深入理解Mn和N共掺ZnO稀磁半导体材料的磁电性能机制有很重要的意义。