Al摻雜的ZnO薄膜的電輸運(yùn)性質(zhì).pdf

1、近些年來(lái)，Al或Ga摻雜的ZnO透明導(dǎo)電氧化物薄膜，以其價(jià)格低廉，無(wú)毒性，在H2等離子氣氛中性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，而受到研究者的廣泛關(guān)注，然而，人們對(duì)該體系的導(dǎo)電機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然處于半經(jīng)驗(yàn)階段。因此，我們以ZnO∶Al為研究對(duì)象，對(duì)其電輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了研究。
　　 我們采用射頻磁控濺射法分別在Al2O3(0001)和Al2O3(1(-1)02)基底上制備了一系列Al原子百分含量為4％的ZnO∶Al薄膜，基底溫度分別為：623、723、82

2、3、873、973 K，考慮維度對(duì)其電輸運(yùn)性質(zhì)的影響，我們又在723 K溫度條件下制備了一系列不同厚度的ZnO∶Al薄膜。通過(guò)對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)表征，以及載流子濃度、電阻率和磁電阻的測(cè)量，系統(tǒng)的分析討論了ZnO∶Al薄膜的電輸運(yùn)行為。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有樣品的載流子濃度均不隨測(cè)量溫度的改變而改變，表現(xiàn)出金屬或簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的特性，并且隨著基底溫度的升高，載流子濃度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
　　 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，在單晶Al2O3(0

3、001)基底上生長(zhǎng)的ZnO∶Al薄膜沿著c軸方向生長(zhǎng)。當(dāng)溫度不太低時(shí)，樣品電阻率隨溫度的降低而減小且與Bloch-Grüneisen公式符合的很好，屬于典型的金屬導(dǎo)電性。樣品在低溫區(qū)間出現(xiàn)的電阻率隨溫度的降低而升高的趨勢(shì)，可以用弱局域效應(yīng)的理論來(lái)解釋?zhuān)瑢?duì)于較厚的樣品，電阻率與溫度關(guān)系滿(mǎn)足ρ∝√T，符合三維的弱局域理論，當(dāng)膜厚減小到293(A)時(shí)，則滿(mǎn)足ρ∝ ln T的關(guān)系，可用二維的弱局域效應(yīng)解釋。進(jìn)一步運(yùn)用弱局域理論，通過(guò)對(duì)樣品磁電阻

4、的擬合分析，得到樣品退相位相干時(shí)間與溫度的依賴(lài)關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)在2 K～30 K范圍內(nèi)，電聲子相互作用為樣品主要的散射機(jī)制。
　　 對(duì)于在單晶Al2O3(1(-1)02)基底上生長(zhǎng)的樣品，基底溫度為623 K和723 K時(shí)表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電性，而基底溫度為823 K和873 K時(shí)則表現(xiàn)出半導(dǎo)體導(dǎo)電性，當(dāng)溫度升高到923 K時(shí)，出現(xiàn)了金屬半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。為了研究樣品的散射行為，我們通過(guò)霍爾遷移率的擬合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度在100 K以下時(shí)，雜質(zhì)離子