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研究生： 簡志峰
論文名稱： 脈衝雷射蒸鍍法蒸鍍氧化鋅及氧化釓鋅薄膜
Growth of Zinc Oxide and Zinc Gadolinium Oxide Thin Films by Pulsed Laser Deposition
指導教授： 駱芳鈺
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 44
中文關鍵詞： 脈衝雷射蒸鍍法 、氧化鋅 、光致螢光 、X光繞射
論文種類： 學術論文
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    • 稀磁性半導體要能有實際應用，其應該要具備以下兩個條件：(1) 居禮溫度 (Curie temperature) 要在室溫以上，以及 (2) 其磁交互作用為RKKY 交互作用(Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida interaction)，即透過載流子作為媒介的磁交互作用 (charge-mediated interaction)。如此才能夠發展工作溫度在室溫以上的自旋電子學元件，並且有機會透過調變稀磁性半導體的載流子濃度來改變其磁性，進而調變自旋電子學元件的功能。

    氧化鋅是一種Ⅱ-Ⅵ 化合物半導體，其室溫(300K)下能隙(band gap)高達3.37eV，光譜波長約為367nm，不過大部分直接觀察到的發光波長是在375nm附近，較能帶間隙較小，這能量差是因為氧化鋅的激子束縛能(exiton binding energy)約60meV。激子是半導體中電子及電洞因庫倫交互作用耦合而成。因為室溫(300K)相當於25meV，此時氧化鋅的激子尚未因熱擾動而游離，所以室溫下可存在，使氧化鋅成為極具潛力的藍光、近紫外光、白光等短波長光電元件材料。

    釓(Gd)，原子序數為64，屬於鑭系元素，是稀土元素之一，其原子量157.25，原子半徑188pm，比鋅(Zn)135pm還大。而釓元素的電子組態是[Xe] 4f75d16s2，具有半填滿的4f軌域及5d軌域以及7.98 μB的原子磁矩 (atomic magnetic moment)，直觀上是稀土族元素之中最適合用來發展稀磁性半導體的稀土族元素

    脈衝雷射蒸鍍是一種特別的物理氣相沈積法，具有高鍍膜速率，易控制其異質多成份化學計量組成及易於調控鍍膜系統等特點。

    實驗使用脈衝雷射蒸鍍法在結晶的氧化鋁(藍寶石)基板上成長氧化鋅薄膜並摻雜釓元素來產生自旋流。

    第一章 簡介與動機---------------------------------------------------1 第二章 材料基本特性與檢驗方法---------------------------------------3 2.1氧化鋅(ZnO)、氧化鋁和釓(Gadolinium -Gd)性質----------------------3 2.2 X光繞射(X-Ray Diffraction)--------------------------------------6 2.2.1 X光起源與原理---------------------------------------------6 2.2.2布拉格繞射------------------------------------------------8 2.3光至螢光光譜---------------------------------------------------10 2.3.1光致螢光光譜簡介及原理-----------------------------------10 2.3.2實驗儀器裝置---------------------------------------------11 2.4表面粗度儀(Alpha-Step Profilometer; α-step)--------------------12 2.5原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)-----------------------13 第三章 氧化釓鋅薄膜製備--------------------------------------------13 3.1靶材製備-------------------------------------------------------15 3.2脈衝雷射蒸鍍法(Pulsed Laser Deposition；PLD)--------------------15 3.2.1脈衝雷射蒸鍍法簡介與原理---------------------------------15 3.2.2儀器介紹-------------------------------------------------16 3.3實驗步驟-------------------------------------------------------16 3.3.1基板與靶材的清洗-----------------------------------------19 3.3.2鍍膜步驟-------------------------------------------------19 第四章 薄膜成長環境與實驗結果與分析--------------------------------20 4.1厚度分析-------------------------------------------------------22 4.2結構分析-------------------------------------------------------22 4.2.1氧氣壓力的不同-------------------------------------------23 4.2.2雷射能量的不同-------------------------------------------24 4.2.3基板溫度的不同及退火的不同-------------------------------26 4.2.4 成長薄膜時間的不同---------------------------------------28 4.2.5摻雜釓比例的不同-----------------------------------------30 4.2.6 總結-----------------------------------------------------32 4.3光學分析-------------------------------------------------------32 4.3.1氧氣壓力的不同-------------------------------------------33 4.3.2雷射能量密度的不同---------------------------------------35 4.3.3基板溫度的不同及退火的不同-------------------------------37 4.3.4 成長薄膜時間的不同---------------------------------------39 4.3.5摻雜釓比例的不同-----------------------------------------40 4.3.6 deep level emission--------------------------------------42 4.3.7 總結-----------------------------------------------------42 4.4薄膜表面粗糙程度-----------------------------------------------43 第五章 結論--------------------------------------------------------43 參考文獻-----------------------------------------------------------44

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