纖鋅礦ZnO:Cu體系空位缺陷的電磁特性理論研究

繆 晶，符斯列，王春安，雷 濤，李俊賢

(1.華南師范大學物理與電信工程學院，廣東省量子調控工程與材料重點實驗室，廣州 510006；2.廣東技術師范學院電子與信息學院，廣州 510665)

1 引 言

稀磁半導體(DMS)材料可以利用電荷和自旋進行信息處理，兼具半導體材料和磁性材料的雙重特性，是破解摩爾定律難題的方案之一，其光明的應用前景引起了科研工作者廣泛的研究興趣[1].原材料豐富、無毒無害的第三代Ⅱ-Ⅵ族半導體材料ZnO作為一種新型的DMS，以其寬禁帶和較大的激子束縛能贏得了科學家們的關注.

ZnO在常溫常壓下的熱力學穩定相是六方纖鋅礦結構，純ZnO的帶隙為3.37 eV，在室溫下其激子束縛能是60 meV，具有優異的光電性能[2，3]，據證實未摻雜和摻雜的氧化鋅材料在實驗和理論上都具有室溫鐵磁性[4-7].未有意摻雜的纖鋅礦ZnO通常會產生氧空位(VO)和鋅間隙(Zni)缺陷，這些本征缺陷會使ZnO半導體呈n型，導電性大大減弱.因此，人們希望通過摻雜改性，獲得性能穩定、導電性強的p型ZnO摻雜體系[8].相比其他元素摻雜，Cu元素對環境友好，且Cu+半徑(0.60?)、Cu2+半徑(0.57?)與Zn2+半徑(0.60 ?)幾乎相同，所以Cu和Zn的晶格尺寸失配較小，形成能較低[9].更重要的是，金屬摻雜氧化物在室溫下的鐵磁性或反鐵磁性可能來自于磁性團簇的沉淀或磁性第二相[10]，所以當DMS材料被合成為摻雜劑時，元素必須是本征的、非磁性的且易于集成到半導體基體，以解決磁沉淀問題.而金屬Cu及其氧化物(Cu2O和CuO)是非磁性的[11]，且Cu原子在ZnO中的固溶度也很高[8].因此，Cu是過……