A study on the physical properties of Mn-doped ZnO polycrystalline flat films by UHV sputtering

Abstract

망간이 도핑된 ZnO 박막을 제조하여 산소 분압에 대한 전하 수송특성을 연구하였다. 시료는 초고진공 마그네트론 스퍼터 방법을 이용하여 100 nm의 두께로 성장시켰다. 시료의 구조적 특성과 조성은 X-선 회절기와 러더퍼드 산란 분광법을 각각 이용하여 측정하였으며, Hall effect 측정을 통해 전하 수송특성을 관찰하였다. 또한 초전도 양자간섭소자를 이용하여 자성특성도 측정하였다. 그 결과, 제조된 모든 시료는 wurtzite 구조를 이루고 있으며 Zn_(0.96)Mn_(0.04)O의 조성을 가지고 있는 것으로 분석되었다. 또 시료들의 캐리어는 모두 전자였으며 산소 분압이 약 2.2 × 10^(-7) Torr인 시료에서 강자성이 나타남을 확인하였다. 산소 분압이 낮은 Mn 도핑된 시료는 낮은 캐리어 이동도를 보였다. 그러나 산소 분압이 10^(-7) Torr일 때 최대값을 보였다. 한편 도핑된 것과 도핑 되지 않은 ZnO 시료 모두 약 10^(19), 10^(20) cm^(-3)까지 캐리어의 농도가 증가함을 관찰하였다. 이 연구에서 산소의 빈자리가 캐리어의 농도를 촉진하는데 중요한 역할을 하는 반면에 Mn 불순물은 캐리어 이동도를 감소시키는 것을 이해할 수 있었다.; The dependence of oxygen pressure on the transport properties of Mn-doped ZnO film, grown by co-sputtering, was studied. Zn_(0.96)Mn_(0.04)O_(1-δ) films with a thickness of 100 nm were prepared by magnetron co-sputtering with reactive oxygen, whose amount was monitored by a residual-gas analyzer during growth. The crystalline structure and the chemical composition were determined by x-ray diffraction and Rutherford backscattering spectroscopy (RBS), respectively. Their magnetic properties were measured by using a superconducting quantum interference device magnetometer. The Hall measurements were carried out to determine the carrier mobility and concentration at room temperature. The hysteresis curves show that the films, prepared under an oxygen pressure of 2.2 × 10^(-7) Torr, exhibited a ferromagnetic behavior with a low coercivity (~ 50 Oe) at room temperature and T_(c) above 350 K. On the other hand, the films at an oxygen pressure higher than 1.2 × 10^(-6)Torr show nonmagnetic behavior. The carrier concentration was decreased with increasing the oxygen vacancy which was determined by RBS in oxygen-resonance mode. The carrier mobility decreased from approximately 10 to 4 cm₂/Vs in the ferromagnetic phase. In this study, it was observed that oxygen vacancy played a key role for the enhanced carrier concentration, while the Mn dopant led to a decrease in the carrier concentration