[发明专利]一种Ar粒子辐照增强Cr掺杂ZnO薄膜铁磁性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ar粒子辐照增强Cr掺杂ZnO薄膜铁磁性的方法，属于新型功能半导体材料领域。

背景技术

稀磁半导体一般是指在非磁性半导体材料中通过引入具有3d或4f电子的金属元素部分替代非磁性离子所形成的一类新型功能半导体材料。传统的半导体器件仅使用了电子的电荷属性，磁存储器件材料仅利用了电子的自旋属性，目前备受关注的自旋电子器件可同时利用电子的电荷和自旋这属性。自旋电子器件具有非易失性、速度快、体积小、耗能低等优点，被认为是未来最有潜力的新型电子器件，如自旋场效应晶体管、自旋阀、自旋发光二极管等。磁性金属与半导体之间的自旋电子的注入效率不高一直是限制自旋电子器件发展的难点，及自旋极化机理一直是限制其转化为应用的难点稀磁半导体材料是制作自旋电子器件理想的材料，可以实现高效率的自旋注入效率。

ZnO是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37eV，激子结合能60meV，具有优异的光电性质。2000年，Dietl等人^[1]采用平均场理论计算预测了过渡金属掺杂ZnO具有室温以上的铁磁性了，引起了研究人员的浓厚兴趣。经过十余年的研究，人们在过渡金属(Fe、Co、Mn、Cr等)或稀土金属(Er、Yb、Nd等)掺杂ZnO中获得了室温的铁磁性^[2-4]，但ZnO基稀磁半导体材料的磁化强度较弱，研究人员一直在寻求增强稀磁半导体材料磁性的方法。电子和缺陷对于调节ZnO基稀磁半导体材料材料中的磁性离子的铁磁耦合交换有着重要的作用，一般通过额外掺杂、改变制备过程中的工艺参数、退火处理等来调控材料中缺陷的浓度。

背景技术涉及文献

[1]T.Dietl,H.Ohno,F.Matsukura,et al.Zener model div of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors,Science,2000,287(5455):1019.

[2]P.Sharma,A.Gupta,K.V.Rao,et al.Ferromagnetism above room temperature in bulk and transparent thin films of Mn-doped ZnO,Nature Materials,2003,2(10):673.

[3]X.C.Liu,E.W.Shi,Z.Z.Chen,et al.Effect of donor localization on the magnetic properties of Zn-Co-O system.Applied Physics Letters,2008,92(4):042502.

[4]H.M.Chen,X.C.Liu,S.Y.Zhuo,et al.The dual effects of Al-doping on the ferromagnetism of Zn0.98-yEr0.02AlyO thin films,AIP Advances,2013,3(8):082121。

发明内容

本发明主要针对目前Cr掺杂ZnO薄膜的饱和磁化强度不高，自旋电子的注入效率较低的问题，本发明的目的在于提供了一种改善此类问题的方法。

为此，本发明提供了一种Ar粒子辐照增强Cr掺杂ZnO薄膜铁磁性的方法，以一定剂量的Ar粒子对Cr掺杂ZnO薄膜进行辐照，所述Cr掺杂ZnO薄膜的化学式为Zn_1-xCr_xO，其中0＜x≤0.05。本发明通过一定剂量的辐照，可以实现对材料中的缺陷的调控。

较佳地，0.01≤x≤0.05。

较佳地，所述Ar粒子的辐照剂量为7×10¹⁴～5×10¹⁶cm^-2。

较佳地，所述Ar粒子的辐照能量为2.5～3.0MeV，辐照过程在室温下进行。

较佳地，所述辐照在Cr掺杂ZnO薄膜中产生了阳离子空位，通过调节Ar粒子辐照剂量和/或辐照能量来调控阳离子空位(阳离子空位缺陷)的浓度。此外，Ar离子的辐照可以避免补偿间隙氢缺陷的引入。

较佳地，经所述辐照后的Cr掺杂ZnO薄膜的饱和磁化强度相对于辐照前提高了65％以上。

较佳地，所述辐照不改变所述薄膜的组成和相。