通过缺陷工程调控ZnO以及掺V和Cr的ZnO薄膜的结构、磁性和电学性质

《Materials Science and Engineering: B》：Structural, magnetic, and electrical property modulation in ZnO and V- and Cr-doped ZnO films via defect engineering

ZnO薄膜经钒和铬掺杂后，通过磁控溅射制备，系统研究了其结构、微观结构、形貌、磁学和电学性能。XRD证实单相六方纤锌矿结构，晶格参数减小（V：3.234 ?，Cr：3.238 ?），晶粒尺寸从17.149 nm降至11.251 nm（V）和12.037 nm（Cr），位错密度增加。磁性测试显示V掺杂0.6 at.%时饱和磁化强度5.41 emu/cm3，Cr掺杂0.4 at.%时7.10 emu/cm3，符合缺陷诱导磁极子机制。电导率均为n型，载流子浓度随掺杂浓度增加而降低，证实V和Cr作为受主型缺陷的作用。

　　本研究探讨了未掺杂和过渡金属（TM）掺杂的氧化锌（ZnO）薄膜在结构、微观结构、形貌、磁性和电输运特性方面的变化。这些薄膜分别掺杂了钒（V）和铬（Cr），掺杂浓度为0.2、0.4和0.6原子百分比。薄膜是在玻璃基板上通过射频/直流磁控溅射技术制备的，并利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、能谱分析（EDX）、振动样品磁强计（VSM）以及霍尔效应测量等手段进行系统表征。研究结果表明，V和Cr的掺杂显著影响了ZnO的晶格结构和微观特性，同时改变了其磁性和电导行为。

在结构分析方面，XRD结果确认了所有薄膜均保持六方纤锌矿结构，没有出现第二相或杂质。晶格参数随着V和Cr的掺杂而减小，表明较小的V3?和Cr3?离子可能以替代方式掺入ZnO晶格中。此外，晶粒尺寸也因掺杂而减小，伴随着晶格应变和位错密度的增加。SEM和AFM研究进一步揭示了薄膜的晶粒细化和表面粗糙度变化，其中V掺杂薄膜的均方根粗糙度达到14.3±2.3纳米，Cr掺杂薄膜为14.9±1.5纳米，而未掺杂ZnO为12.1±1.1纳米。这些结果表明，V和Cr的掺杂显著改变了ZnO薄膜的表面形貌。

在磁性测量方面，研究发现所有样品在室温下均表现出铁磁性，其中V掺杂浓度为0.6原子百分比时，饱和磁化强度（Ms）达到5.41emu/cm3；而Cr掺杂浓度为0.4原子百分比时，Ms值为7.10emu/cm3。剩余磁化强度（Mr）也呈现出相似的变化趋势，这与氧空位介导的束缚磁极化子（BMPs）的形成有关。这些磁性行为的变化表明，V和Cr的掺杂不仅影响了ZnO的结构，还可能通过氧空位等缺陷促进了磁性的产生。

在电输运特性方面，霍尔效应测量显示所有样品均表现出n型导电性，其中载流子浓度从未掺杂ZnO的1.0×101? cm?3显著下降到V掺杂0.6原子百分比时的2.1×1013 cm?3，以及Cr掺杂0.6原子百分比时的1.2×101? cm?3。这表明V和Cr的掺杂可能引入了类似受主的缺陷，从而改变了ZnO的导电行为。此外，电输运特性随温度和磁场的变化进一步证实了缺陷诱导的导电机制的存在，这表明结构无序与磁性和电导行为之间存在密切的相互作用。

研究还发现，V和Cr的掺杂浓度对ZnO薄膜的结构、形貌和功能特性有显著的差异影响。V掺杂的薄膜表现出更明显的晶粒细化和表面粗糙度变化，而Cr掺杂则在一定程度上保持了更均匀的表面形貌。这些差异可能与V和Cr在ZnO晶格中的不同行为有关，例如V可能更倾向于在晶格中形成更多的缺陷，而Cr则可能通过更稳定的晶格结构保持其特性。此外，研究还表明，V和Cr的掺杂对磁性和电导行为的影响并非完全一致，这可能与它们在ZnO中的不同电子结构有关。

研究进一步探讨了V和Cr掺杂对ZnO薄膜的结构演变和磁性行为的影响机制。通过系统的实验分析，研究者能够量化不同浓度的V和Cr对晶格结构的影响，并将其与磁性行为的变化联系起来。这些结果不仅有助于理解掺杂如何影响ZnO的磁性和电导行为，还为开发具有特定功能的氧化锌基稀磁半导体材料提供了实验依据。例如，V和Cr的掺杂可能通过不同的机制促进磁性的产生，如氧空位介导的束缚磁极化子（BMPs）或缺陷相关的磁性耦合。

此外，研究还指出，V和Cr掺杂对ZnO薄膜的结构和功能特性的影响可能受到多种因素的共同作用，包括生长条件、掺杂浓度以及缺陷的类型和分布。例如，高浓度的V掺杂可能导致更多的晶格畸变和缺陷，从而影响磁性和电导行为。而Cr掺杂则可能在保持结构稳定性的同时，通过特定的缺陷形成机制增强磁性。这些发现表明，V和Cr作为掺杂元素，在氧化锌基材料中具有不同的作用机制，这可能为未来的材料设计和应用提供重要的指导。

本研究的实验结果表明，通过精确控制V和Cr的掺杂浓度，可以有效地调控ZnO薄膜的多功能特性。例如，V掺杂可能导致更高的电阻率和更小的载流子浓度，而Cr掺杂则可能在一定程度上保持较高的导电性。这些特性变化可能与V和Cr在ZnO晶格中的不同行为有关，如V可能更倾向于形成受主缺陷，而Cr则可能通过不同的电子结构促进磁性的产生。这些结果不仅丰富了对氧化锌基材料的理解，还为未来的材料应用提供了重要的理论基础和实验支持。

在应用方面，研究认为这些掺杂的ZnO薄膜具有广阔的应用前景。例如，V和Cr掺杂的ZnO薄膜可能在自旋电子学、磁阻传感器和基于电荷输运的电子器件中发挥重要作用。这些器件需要具有良好的磁性和电导特性，同时保持结构的稳定性和均匀性。因此，通过合理的掺杂策略，可以实现对ZnO薄膜多功能特性的有效调控，从而满足不同应用的需求。

研究还指出，V和Cr作为过渡金属掺杂元素，在ZnO基材料中表现出独特的磁性和电导行为。这可能与它们在ZnO晶格中的不同电子结构有关，例如V的3d轨道部分填充，而Cr的3d轨道则可能具有不同的填充方式。这种电子结构的差异可能导致不同的磁性行为，如V掺杂可能通过氧空位形成更多的束缚磁极化子，而Cr掺杂则可能通过不同的机制增强磁性。这些发现不仅有助于理解V和Cr在ZnO中的作用机制，还为未来的材料设计和应用提供了重要的参考。

此外，研究还强调了实验方法的重要性。通过射频/直流磁控溅射技术制备的ZnO薄膜具有高纯度、高附着力和高均匀性，这使得它们非常适合用于器件结构。同时，XRD、SEM、AFM、EDX、VSM和霍尔效应测量等手段为研究提供了全面的表征信息，有助于深入理解V和Cr掺杂对ZnO薄膜的影响。这些实验方法的结合使得研究者能够从多个角度分析材料的特性变化，从而为未来的材料研究和应用提供坚实的实验基础。

研究还提到，V和Cr掺杂的ZnO薄膜在室温下表现出铁磁性，这可能与氧空位介导的束缚磁极化子（BMPs）的形成有关。这种磁性行为的变化表明，V和Cr的掺杂不仅影响了ZnO的结构，还可能通过特定的缺陷形成机制改变了其磁性。这些发现为未来的自旋电子学器件设计提供了重要的理论支持，同时也为研究其他过渡金属掺杂的ZnO材料提供了参考。

在结构和功能特性方面，研究发现V和Cr掺杂的ZnO薄膜在晶格参数、晶粒尺寸、表面粗糙度和磁性行为等方面均表现出显著的差异。例如，V掺杂可能导致更小的晶格参数和更小的晶粒尺寸，而Cr掺杂则可能在一定程度上保持更均匀的表面形貌。这些差异可能与V和Cr在ZnO晶格中的不同行为有关，如V可能更倾向于在晶格中形成更多的缺陷，而Cr则可能通过更稳定的晶格结构保持其特性。这些发现表明，V和Cr作为过渡金属掺杂元素，在ZnO基材料中具有不同的作用机制，这可能为未来的材料设计和应用提供重要的指导。

研究还指出，V和Cr掺杂的ZnO薄膜在电导行为上的变化可能与它们的电子结构和缺陷类型有关。例如，V掺杂可能导致更高的电阻率和更小的载流子浓度，而Cr掺杂则可能在一定程度上保持较高的导电性。这些特性变化可能为未来的电子器件设计提供重要的参考，同时也为研究其他过渡金属掺杂的ZnO材料提供了理论支持。

此外，研究还提到，V和Cr掺杂的ZnO薄膜在磁性和电导行为上的变化可能受到多种因素的共同影响，包括掺杂浓度、缺陷类型以及生长条件。例如，高浓度的V掺杂可能导致更多的晶格畸变和缺陷，从而影响磁性和电导行为。而Cr掺杂则可能在保持结构稳定性的同时，通过不同的机制增强磁性。这些发现表明，V和Cr作为过渡金属掺杂元素，在ZnO基材料中具有不同的作用机制，这可能为未来的材料设计和应用提供重要的指导。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，揭示了V和Cr掺杂对ZnO薄膜的结构、微观结构、形貌、磁性和电导行为的影响。这些结果不仅丰富了对氧化锌基材料的理解，还为未来的材料设计和应用提供了重要的理论支持和实验依据。研究认为，通过合理的掺杂策略，可以有效调控ZnO薄膜的多功能特性，从而满足不同应用的需求。这些发现对开发新型自旋电子学器件、磁阻传感器和基于电荷输运的电子器件具有重要意义。