[发明专利]一种离子注入缺陷诱导的室温铁磁性ZnO单晶薄膜制备方法

说明书

本发明公开一种离子注入缺陷诱导的室温铁磁性ZnO单晶薄膜的制备方法。利用分子动力学程序模拟不同能量的离子注入到ZnO后的能量损失和分布，设计多次叠加注入条件，在分子束外延技术或者金属有机物化学气相沉积技术制备的ZnO单晶薄膜中注入不同能量、不同剂量的非磁性元素，使得叠加后总离子分布与损伤截面在一定薄膜厚度范围内近似均匀分布。通过控制注入离子能量和剂量调控氧化锌单晶薄膜中掺杂离子和缺陷态的分布与数量，获得了缺陷诱导的具有室温铁磁性的ZnO单晶薄膜。离子注入能精确控制注入剂量以及注入离子和缺陷的分布，实验的重复性和稳定性好。本方法获得的ZnO薄膜具有稳定的室温铁磁性，并保持较好的单晶特性，可应用于量子自旋器件中。

技术领域

本发明涉及ZnO稀磁半导体薄膜制备技术领域，尤其涉及一种离子注入缺陷诱导的ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法。

背景技术

稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性，兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料，可以用于研制全新的基于自旋的多功能器件。早期研究集中在Mn基III-V族稀磁半导体。但是，所获得的居里温度远低于室温。宽禁带半导体GaN和ZnO由于理论预言可实现高于室温的铁磁有序，成为近年来自旋电子学材料领域的研究热点。目前已经报道了多种过渡金属掺杂ZnO的室温铁磁性。但是，不同的实验组给出的结论并不一致。存在的问题集中于稀磁半导体磁性来源以及材料磁性的稳定性与可重复性。很多研究组报道掺杂半导体的磁性来源于过渡金属离子形成的磁性团簇相，而不是磁性离子取代半导体阳离子的本征铁磁有序。另外，实验报道的ZnO薄膜的磁性和薄膜的制备方法及生长条件存在敏感的依赖关系，这使得人们开始关注缺陷态在铁磁有序形成中的作用，并由此兴起了缺陷诱导铁磁性这一研究领域。目前，已经在多种非掺杂或者非磁性元素掺杂的ZnO薄膜中观察到缺陷调制铁磁性。对于非掺杂ZnO薄膜，引起铁磁有序的缺陷态为各种本征缺陷，如锌空位，氧空位，锌填隙等。非磁性元素掺杂导致的铁磁性也被归因为掺杂引起的微观缺陷：掺杂引入的空位型缺陷(氧空位、锌空位)以及间隙型缺陷(锌间隙)可以辅助磁矩平行排列。在常规ZnO稀磁半导体薄膜的制备方法中，如采用脉冲激光淀积技术、磁控溅射法、溶胶凝胶法等，缺陷的产生具有随机性和不可控制性，原生点缺陷极不稳定，这使得缺陷辅助的铁磁稳定性与可重复性较差，人们迫切需要找到一种高效、可诱导铁磁有序的缺陷调控手段。

离子注入作为一种材料改性高新技术，已经在半导体掺杂领域获得广泛应用。具有一定能量的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子发生一系列相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并在材料中引入各种空位，间隙原子等缺陷。本发明采用离子注入技术在ZnO单晶薄膜中掺杂非磁性离子，通过控制注入离子能量和剂量调控ZnO单晶薄膜中掺杂离子和缺陷态的分布与数量，获得缺陷调制的具有室温铁磁性的ZnO单晶薄膜。与磁控溅射法或者溶胶凝胶法制备ZnO多晶磁性薄膜相比，单晶基体上的离子注入能精确控制注入剂量以及注入离子和缺陷的分布，实验的重复性更好。同时，由于是非平衡的掺杂手段，离子注入掺杂元素更容易进入基体的晶格中，可获得更高的固溶度而不容易形成团簇相。

发明内容

本发明提供一种离子注入缺陷诱导的ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法。

由于单次注入离子的分布剖面是对称的高斯分布，为了获得从薄膜表面到一定厚度范围内近均匀的杂质和缺陷分布，本发明的采用多次叠加注入法，即采用不同能量，不同剂量的离子多次注入，使得叠加后总的离子分布与损伤截面在一定薄膜厚度范围内近似均匀分布，这对于ZnO薄膜铁磁有序的稳定性具有重要意义。本发明包括如下步骤：

(1)利用SRIM程序模拟具有一定能量E₁的离子入射到ZnO后离子在靶材中的能量损失和分布，得到入射离子的垂直投射影程R_p1和垂直投射影程统计偏差ΔR_p1；

(2)能量为E₁，剂量为φ₁的离子沿着随机方向注入ZnO薄膜后浓度分布理论上为高斯分布：