摘 要：利用共溅射技术在石英玻璃衬底上沉积前驱体氮化物，在真空优于4×10-4Pa时、对前驱体氮化物分别在450℃、550℃、650℃温度下热氧化45min后获得Al-N共掺杂 ZnO：Co薄膜，利用XRD分析薄膜样品呈六方纤锌矿结构，氧化温度为650℃结晶质量最好；使用双光束紫外/可见分光光度计测量薄膜的吸收谱，计算得到在热氧化温度为450℃、550℃、650℃下制得的薄膜样品带隙分别为3.18、3.06、3.10eV；利用振动样品磁强计对样品的磁性进行测试，结果表明样品在室温下具有铁磁性，当热氧化温度为450℃时，磁学性能最好。 
　　关键词：共溅射；热氧化；Al-N共掺；光学带隙；磁学特性 
　　1 概述 
　　ZnO作为一种透明的宽带隙半导体材料，其禁带宽度约为3.37eV，室温下具有60meV的激子结合能使其在光电应用方面有着广阔的前景[1-3]。自从Dietl等[4]和Sato等[5]通过理论计算认为过渡金属（Mn、Fe、Co和Ni等）掺杂的ZnO基DMS（Diluted magnetic semiconductors）可能具有高居里温度的铁磁性以来，因其能同时利用电子的电荷属性和自旋属性，使ZnO基DMS被认为是制作下一代半导体自旋电子器件的主要材料[6]。 
　　文章用热氧化[7]辅助磁控溅射[8]实验制备了N掺杂的ZnO基稀释磁性半导体[9-12]，这种制备方法是以Zn3N2薄膜作为前驱体，通过调节氧化参数来控制样品中N的含量，且提高了Co在ZnO中的固溶度、降低了C、H等元素的污染，同时抑制了ZnO的水解反应，优化了ZnO的性质，分析了样品的结构、光学与磁学性质。 
　　2 实验 
　　采用JDZ045CB01型磁控溅射与电阻炉联合系统，利用射频、直流共溅射的方法在石英玻璃衬底上沉积Al-N共掺ZnO：Co薄膜，具体过程分为两步。 
　　第一步为溅射：射频溅射靶材为ZnAl合金靶（纯度为99.99%，其中Al的含量为0.1%）其尺寸为Φ60mm×5mm、溅射功率为70W，直流溅射靶材为Co金属靶（纯度为99.99%），溅射功率为8W。实验前，将衬底依次在无水乙醇和去离子水中超声清洗10min。本底真空优于3.0×10-4Pa，衬底温度为200℃，采用氩气（纯度为99.99%）和氮气（纯度为99.99%）分别作为溅射气体和反应气体，流量分别为20sccm和40sccm，工作压强为3Pa，反应前预溅射10min，去除靶材表面杂质，镀膜时间为30min，形成Zn3N2：Al：Co薄膜。 
　　第二步为热氧化：在本底真空优于3.5×10-4Pa、工作压强为3Pa、氧气流量为40sccm时分别对相应样品在450℃、550℃、650℃温度下进行热氧化处理，氧化时间为45min，最终形成Al-N共掺ZnO：Co薄膜。 
　　采用D/max-2600/PC型X射线衍射仪分析了沉积的Al-N共掺ZnO：Co薄膜的晶体结构。采用双光束紫外/可见分光光度计（UV/VIS）与振动样品磁强计（VSM）分别测量并分析了样品的光学与磁学性质。 
　　3 结果与讨论 
　　3.1 Al-N共掺杂ZnO：Co薄膜的晶体结构表征 
　　图1是在石英玻璃衬底上沉积的Zn3N2：Al：Co和Al-N共掺杂ZnO：Co薄膜样品的XRD图，可见热氧化前只对应Zn3N2（321）取向的衍射峰，热氧化后的样品衍射峰对应着具有六角纤锌矿特征的ZnO（002）峰，并没有出现Co2O3等其他杂相，且随着氧化温度的增加，衍射峰逐渐向大角度方向移动，这是因为Al3+离子半径（53pm）、Co2+离子半径（72pm）均略小于Zn2+的离子半径（74pm），而且O2-离子半径（138pm）也略小于N3-离子半径（146pm）的缘故，说明了Al3+、Co2+已经成功掺杂并分别替换进了Zn2+的格点位置[13]，而O2-替换了大部分N3-的位置，导致晶格常数稍有减小。而且因为过高的热氧化温度使样品中剩余的N3-继续被活性更强的O2-所替代的缘故。（如图1所示）