刘芬等：射频磁控溅射制备(n,Co)共掺ZnO薄膜的电学和磁学性质 387 获得的磁学性质.另外，在众多的合成方法中，部 射在室温下沉积于康宁Eagle XG玻璃基底上. 分研究者并未考虑制备成本和环境友好的因素 Zn0靶、Co靶和ln2O3靶为直径为50.8mm的圆 基于此，本工作选取射频磁控溅射制备(n,Co) 形靶，厚度为3mm.溅射过程中，工作气体为纯 ZnO薄膜，该技术具有环境友好、沉积速率高、薄 Ar.气体流量为32mL~min.沉积温度维持在373K. 膜均一和适合大规模制备的优势.文章研究了 ZnO靶的溅射功率为80W,Co靶的溅射功率在10W I含量对薄膜电学性质和磁学性质的影响，并对 至15W进行调节，In2O3靶的溅射功率从0W逐 磁性产生的机制进行了分析 渐升高到25W.基底架的旋转速度为l0rmin 1实验方法 靶基距为I0cm.溅射前，腔体的背底真空度首先 抽至6.7×10Pa,溅射压力为1.67Pa.详细的溅射 l00nm的(In,Co)-ZnO薄膜通过射频磁控溅 参数归纳于表1. 表1Co-ZnO和(ln,Co-ZnO薄膜的沉积参数 Table 1 Sputtering parameters maintained during the deposition of Co-ZnO and(In,Co)-ZnO thin films Sputtering Background Working Working Hot Film Substrate Draw power/W pressure/Pa pressure/Pa gas substrate/K thickness/nm distance/cm ZnO Co In2O; <6.7×104 1.67 Ar 373 100 Glass 10 80 15→100→25 薄膜厚度通过Kosaka Surfcoder台阶仪进行测 16 量.薄膜的成分通过JEOL JXA-8200电子探针 12 In.0/w In/ (EPMA)进行测量.相结构通过X射线衍射仪 3 0.2 (XRD,Rigaku Ultima IV)进行分析.薄膜形貌和粗 糙度利用扫描电子显微镜(FE-SEM,JEOL JSM- 4 670l)和原子力显微镜(AFM,Digital Instrument-DI 3I00)进行表征.通过高分辨透射电子显微镜(HR- 00 101520 25 30 TEM,JEOL JEM-2IO0)观察样品横截面的显微结 Target power of In,O,/W 构.用霍尔效应分析仪(Agilent Technologies,AHM- 图1(n,Co厂ZnO薄膜中ln含量随着nzO3靶功率的变化 800B)对薄膜的电学性质进行测试.最后，通过振 Fig.1 In content in (In,Co)-ZnO thin films as a function of the 动样品磁力计(VSM,Lake Shore's Model7407)分 sputtering power applied on InO;target 析薄膜的磁学性质 2结果与讨论 。:ZnO(JCPDS:75-1533) (In,Co)-ZnO薄膜通过三靶共溅射获得.通过 Atomic ratio of In/ 调节各靶的溅射功率，使C0原子数分数维持在约 (ne) 14.0 8.0 6.6%,In原子数分数在0~14.0%之间变化.随着 6.8 In2O,靶功率的提高，薄膜中In的含量逐渐升高 3.4 如图1所示，随着ln2O3的靶功率由0W升高到 0.7 0.2 5W,薄膜中In的原子数分数首先从0缓慢地增加 0 至0.7%；继续增加I203的靶功率至25W,薄膜中 Pure Zno 30 35 的1n原子数分数迅速提高到14.0%.In含量的提 40 45 5055 60 6570 2M) 高会造成更多的二价Zn2*被三价In*所取代，从而 图2不同In含量的(n,Co)-ZnO薄膜的X射线衍射图 利于薄膜导电性的提高 Fig.2 X-ray diffraction pattems of(In,Co)-ZnO films with various (In,Co)ZnO薄膜结构随In含量的变化，其X In2O:contents 射线衍射图谱示于图2.所有的薄膜都表现出结品 的特性，并且没有出现杂相.ZnO(002)和(103)的 的衍射峰强度逐渐被抑制，这一现象与之前报道 衍射峰较为明显.随着薄膜中In含量的增加，ZnO 的(AL,Co-ZnO薄膜一致7-2刘.这说明掺杂含量获得的磁学性质. 另外，在众多的合成方法中，部 分研究者并未考虑制备成本和环境友好的因素. 基于此，本工作选取射频磁控溅射制备 (In, Co)− ZnO 薄膜，该技术具有环境友好、沉积速率高、薄 膜均一和适合大规模制备的优势. 文章研究了 In 含量对薄膜电学性质和磁学性质的影响，并对 磁性产生的机制进行了分析. 1    实验方法 100 nm 的 (In, Co)−ZnO 薄膜通过射频磁控溅 射在室温下沉积于康 宁 Eagle XG 玻璃基底上 . ZnO 靶 、Co 靶和 In2O3 靶为直径为 50.8 mm 的圆 形靶，厚度为 3 mm. 溅射过程中，工作气体为纯 Ar，气体流量为 32 mL·min−1 . 沉积温度维持在 373 K. ZnO 靶的溅射功率为 80 W，Co 靶的溅射功率在 10 W 至 15 W 进行调节，In2O3 靶的溅射功率从 0 W 逐 渐升高到 25 W. 基底架的旋转速度为 10 r·min−1 . 靶基距为 10 cm. 溅射前，腔体的背底真空度首先 抽至 6.7×10−4 Pa，溅射压力为 1.67 Pa. 详细的溅射 参数归纳于表 1. 表 1 Co−ZnO 和 (In, Co)−ZnO 薄膜的沉积参数 Table 1 Sputtering parameters maintained during the deposition of Co-ZnO and (In, Co)-ZnO thin films Background pressure/Pa Working pressure/Pa Working gas Hot substrate/K Film thickness/nm Substrate Draw distance/cm Sputtering power/W ZnO Co In2O3 <6.7 × 10−4 1.67 Ar 373 100 Glass 10 80 15→10 0→25 薄膜厚度通过 Kosaka Surfcoder 台阶仪进行测 量 . 薄膜的成分通 过 JEOL JXA-8200 电子探针 （ EPMA）进行测量. 相结构通过 X 射线衍射仪 （XRD，Rigaku Ultima IV）进行分析. 薄膜形貌和粗 糙度利用扫描电子显微镜（ (FE-SEM, JEOL JSM- 6701）和原子力显微镜（AFM, Digital Instrument-DI 3100）进行表征. 通过高分辨透射电子显微镜（HR￾TEM, JEOL JEM-2100）观察样品横截面的显微结 构. 用霍尔效应分析仪（Agilent Technologies, AHM- 800B）对薄膜的电学性质进行测试. 最后，通过振 动样品磁力计（VSM，Lake Shore’s Model 7407）分 析薄膜的磁学性质. 2    结果与讨论 (In, Co)−ZnO 薄膜通过三靶共溅射获得. 通过 调节各靶的溅射功率，使 Co 原子数分数维持在约 6.6%，In 原子数分数在 0～14.0% 之间变化. 随着 In2O3 靶功率的提高，薄膜中 In 的含量逐渐升高. 如图 1 所示，随着 In2O3 的靶功率由 0 W 升高到 5 W，薄膜中 In 的原子数分数首先从 0 缓慢地增加 至 0.7%；继续增加 In2O3 的靶功率至 25 W，薄膜中 的 In 原子数分数迅速提高到 14.0%. In 含量的提 高会造成更多的二价 Zn2+被三价 In3+所取代，从而 利于薄膜导电性的提高. (In, Co)−ZnO 薄膜结构随 In 含量的变化，其 X 射线衍射图谱示于图 2. 所有的薄膜都表现出结晶 的特性，并且没有出现杂相. ZnO (002) 和 (103) 的 衍射峰较为明显. 随着薄膜中 In 含量的增加，ZnO 的衍射峰强度逐渐被抑制，这一现象与之前报道 的 (Al, Co)−ZnO 薄膜一致[27−29] . 这说明掺杂含量 5 10 0 12 15 20 25 16 0 30 8 4 Target power of In2O3 /W Atomic ratio of In/ % 0 0 3 0.2 5 0.7 10 3.4 15 6.8 20 8.0 25 14.0 Target power of In2O3 /W Atomic ratio of In/% 图 1 (In, Co)−ZnO 薄膜中 In 含量随着 In2O3 靶功率的变化 Fig.1 In content in (In, Co)−ZnO thin films as a function of the sputtering power applied on In2O3 target 35 60 40 50 65 8.0 6.8 0.7 0 45 55 3.4 0.2 Pure ZnO 14.0 : ZnO(JCPDS: 75-1533) Intensity (a.u.) 2θ/(°) 30 70 Atomic ratio of In/% (002) (103) 图 2 不同 In 含量的 (In, Co)-ZnO 薄膜的 X 射线衍射图 Fig.2 X-ray diffraction patterns of (In, Co)-ZnO films with various In2O3 contents 刘 芬等： 射频磁控溅射制备 (In, Co) 共掺 ZnO 薄膜的电学和磁学性质 · 387 ·