由公式(1)、(2)、(3)可计算样品的晶格常数C和晶粒尺寸D,其中d为晶面间隔;?兹为对应d的布拉格衍射角;n是整数;?姿(0.154056nm)则是入射X射线的波长,ZnO的(002)晶面,h=k=0,l=2可得c=2d,进而可算出c轴的晶格常数,k为谢乐常数,?姿为波长, ?茁hkl为衍射峰半高宽(FWHM),?兹为衍射角。
表1与表2分别给出了不同热氧化温度下样品晶格常数与晶粒大小的计算结果,可见不同热氧化温度下样品的晶格常数几乎没有改变,而在热氧化温度为650℃时,样品的半峰宽最小、样品的结晶质量最好。
3.2 Al-N共掺杂 ZnO:Co薄膜的吸收光谱分析
图2 (a)为在石英玻璃衬底上生长的Al-N共掺杂 ZnO:Co薄膜的吸收谱,可见紫外吸收边随着热氧化温度的升高先发生550℃的移动后发生650℃的移动,表明光学带隙先减小后增大。
根据吸收系数?琢与光子能量h?淄的关系式[14]:
?琢h?淄=A(h?淄-Eg)1/2 (4)
式中:?琢为吸收系数,h?淄为入射光子能量,h为普朗克常数,v为入射光的频率,A为比例常数,Eg为带隙,通过外延(?琢h?淄)2-h?淄曲线的直线部分取(?琢h?淄)2=0即可得到薄膜的Eg。
表3给出了不同热氧化温度下样品的光学带隙。可以看出,随热氧化温度的增加,薄膜样品的光学带隙先减小后增大,这是由于过高的热氧化温度促使样品中的N3-继续被活性更强的O2-所替代导致Al-N的结合变弱,吸收边再次650℃的移动,带隙继续增大。
3.3 Al-N共掺杂 ZnO:Co薄膜的磁性分析
图3为不同热氧化温度的Al-N共掺杂 ZnO:Co薄膜在300K下测得的磁滞回线 ,为了消除衬底的影响,衬底的抗磁信号[15]已从原始数据中扣除。从图3中可以看到不同热氧化温度得到的Al-N共掺杂 ZnO:Co薄膜样品具有明显的磁滞效应,证明样品具有室温铁磁性。且随着热氧化温度的升高,样品的饱和磁化强度先减小后增大。
大量的研究表明,过渡金属掺杂ZnO的磁性来源可能是存在磁性离子团簇或具有磁性的第二相,对于Co掺杂ZnO薄膜,可能产生的杂质相物质有Co、CoO、Co2O3、Co3O4,而由前面XRD的分析结果我们知道,样品具有良好的C轴择优取向,并无磁性第二相杂质或Co单质团簇,且ZnO是抗磁性的;CoO是反铁磁性的,其TN为291K,Co2O3和Co3O4都是顺磁的[16-17],虽然Co是铁磁性的,但其TN为1373K;所以薄膜磁性不可能是由这些物质引起的。从而排除了磁性团簇导致铁磁性的可能。
Belghazi[18]等人采用实验及理论计算的方法分析表明,Al含量的增加虽然会导致薄膜中载流子浓度增加,但是并没有对磁性产生影响,他们认为Al的掺杂仅仅是改变薄膜的传导类型;Liu[19]等人用第一性原理计算也证明在Co、Al共掺ZnO中,Al施主的存在仅仅能提供额外的电子,使费米能级提高,而不能诱导出铁磁性;所以Al的掺杂和其浓度对Al-N共掺杂 ZnO:Co薄膜的铁磁性无关。