磁控溅射制备3d过渡金属掺杂氮化铜薄膜及其应用研究

作     者：赵杨华 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李兴鳌

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：Cu3N 3d过渡金属 磁控溅射 可见光探测器 一次性光存储 

摘      要：本文研究了 3d过渡金属掺杂对氮化铜薄膜的结构和光学特性的影响,并重点关注了 Mn掺杂带来的特殊变化。然后利用钒、铬和锰掺杂来改良氮化铜薄膜磁学性能,得到了 Cr掺杂对氮化铜薄膜的磁性贡献最大。最后基于锰掺杂氮化铜带来的特殊光电特性,我们将其应用于可见光探测,得到了一种基于氮化铜的新型可见光探测器。最后基于氮化铜薄膜在一次性光存储领域的应用,采用致密的氧化物层来改善一次性光存储的容量。本文的工作主要有以下四个方面的内容:一、采用磁控溅射方法制备了 3d过渡金属(Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Zn)掺杂氮化铜薄膜,Sc、Ti、V的掺入减少了参与反应的Cu,偏向于富氮的结构生长,掺入Cr、Mn、Fe金属,它们的3d电子更多,此时掺杂氮化铜还保留着(111)峰,而Co,Ni的掺杂使得氮化铜完全保持着(111)择优生长,并且(111峰)变得更强,因为Co和Ni拥有最多的3d电子,给Cu提供电子变成离子键,增强了氮化铜成键能力。掺杂3d过渡金属对氮化铜的光电特性有不同的影响,总的来说,3d电子越多的金属掺杂使得氮化铜薄膜更加趋于导体性质,带隙减小,导电性变好,其中唯独锰掺杂表现出异常情况,锰掺杂之后反而趋向于增加带隙和电阻,对可见光的反应更明显。二、为探索磁性过渡金属掺杂对氮化铜薄膜磁性的影响,我们成功制备了(100)择优生长的纯的氮化铜薄膜和钒、铬、锰掺杂氮化铜薄膜,并且从理论计算的角度分析了掺杂之后氮化铜的结构和磁性变化。结果表明,过渡金属掺杂之后氮化铜薄膜的晶格常数都会变大,晶格膨胀,表面形貌发生了不同的变化,钒和铬掺杂的光学带隙从1.5 eV减小到1.22 eV,锰掺杂氮化铜薄膜的光学带隙增加到1.56 eV,带隙的增加可归因于富氮的生长条件和莫斯布尔斯坦效应。根据理论计算结果,磁性过渡金属体心掺杂比替代掺杂更容易改善氮化铜的磁学性能。其中铬体心掺杂氮化铜展现出最大的磁性矢量0.2656μ B。三、针对锰掺杂带来的特殊光学性质和电学性质变化,我们第一次设计了基于锰掺杂氮化铜的可见光探测器。制备的锰掺杂氮化铜薄膜表现为为晶体结构,并且能够很好的吸收可见光,其光学带隙为1.47 eV,大于纯氮化铜薄膜的值1.29 eV。令人满意的是基于锰掺杂的氮化铜薄膜的光探测器展示了良好的可见光响应,大于2倍的响应度,超快的反应速率(上升和延迟时间都小于0.1 s),优于未掺杂氮化铜薄膜的可见光探测器。首次发现的这种光电特性反应了响应度和响应速度之间良好的平衡,表明锰掺杂氮化铜薄膜在未来光电探测领域拥有良好的应用前景。四、我们设计和制备了一种添加A1203的氮化铜薄膜新型一次性光存储器件。首先在玻璃基底上制备了 111择优生长的氮化铜薄膜。然后采用射频溅射沉积了一层100 nm厚的A1203保护层,通过一个自制的掩膜版(不同尺寸大小的“IAM掩膜图样)进行激光辐射,激光照射导致氮化铜分解成的铜金属和氮化铜在光反射率上有着明显的差异而记录信息。A1203保护层的加入明显减小了激光照射分解的颗粒团聚,通过溶液溶解后,电子显微镜观测发现分解颗粒明显减小,这样使得信息存储密度有明显的提升,采用A1203改善光存储密度可以为进一步研究改良氮化铜一次性光存储器件的存储容量提供一些启示。