Structural and optical impact of transition metal implantation into zinc oxide single crystals and nanowires

Abstract

Übergangsmetall legiertes Zinkoxid (ZnO) Materialien sind aussichtsreiche Kandidaten für Spin-Elektronik (Spintronik) und optoelektronische Anwendungen. Diese Anwendungen basieren auf der Wechselwirkung zwischen den ZnO-Wirtsgitter und den einlegierten Übergangsmetallionen, die eine ferromagnetische Ausrichtung der Übergangsmetallspins mit einer Curie-Temperatur oberhalb der Raumtemperatur hervorrufen kann. Andererseits beeinflussen das Kristallfeld, die Spin-Bahn- und Jahn-Teller-Wechselwirkung mit dem ZnO Wirtskristall die elektronische Struktur der 3d-Schale der Übergangsmetallionen. Infolge dessen sind optische Übergänge zwischen den 3d-Schalenzuständen teilweise erlaubt. Die Kontrolle der Übergangsmetallkonzentration als auch die Bildung von sekundären Phasen stellen die größten Probleme nicht nur für die Herstellung von Übergangsmetall legierten ZnO-Einkristallen und dünnen Schichten dar, sondern auch für Nanodrähte. Für die Herstellung von ZnO Nanodrähten wird häufig der Vapour-Liquid-Solid Mechanismus verwendet, welcher anhand des Wachstums von ZnO Nanodrähten erörtert wird, wobei auf die Problematik des Einlegierens von Übergangsmetallen eingegangen wird. Die Ionenimplantation nach dem Wachstum von Einkristallen, dünne Filme und Nanodrähte ist eine alternative Methode für die kontrollierten Einbau von Übergangsmetallen in ZnO. Allerdings erzeugt die Ionenimplantation Kristalldefekte, die durch eine Intensitätszunahmen des A1(LO) Phononen-Unordnungsbandes an implantierten ZnO beobachtet wurde. Das Anlassen an Luft bei verschiedenen Temperaturen führt zur Reduzierung eines Großteils der Kristalldefekte. Übergangsmetall implantierte ZnO Proben, die mit hohen Ionendosen implantiert wurden, weißen nach dem Anlassen neue Ramanmoden und Braggreflexe auf, die nicht dem ZnO zugeordnet werden können. Eine detaillierte Analyse dieser Signale offenbart die Bildung von Übergangsmetallreichen Ausscheidungen. Photolumineszenz- und Kathodolumineszenzmessungen weißen zwei neue tiefe Lumineszenzbänder nach der Ionenimplantation von Übergangsmetallen und dem Ausheilen auf. Das rot-gelben Lumineszenzband wurde interstitiellem Sauerstoff mit tetraedrischer Umgebung zugeordnet. Das strukturierte grüne Lumineszenzband wird üblicherweise Cu Verunreinigungen zugeordnet. Dennoch wurde das Configuration-Coordinate Modell benutzt um das strukturierte grüne Lumineszenzband zu erklären, wobei das strukturierte grüne Lumineszenzband sich aus zwei Donator-Akzeptor Übergängen zusammensetzt mit dem gleichen tiefen Akzeptor und zwei unterschiedlichen Donatoren. Die chemische Natur des tiefen Akzeptor wurde interstitielle Sauerstoff mit oktaedrischen Umgebung zugeordnet, und die beiden flachen Donatoren wurden interstitielle Zink mit oktaedrischen sowie tetraedrischen Umgebung zugeordnet. Die Co und Fe implantierte ZnO-Proben zeigen, zusätzliche definierte Lumineszenzlinien, die den intra-3d Lumineszenzübergängen der Co2+ und Fe3+ Ionen im ZnO-Wirtsgitter zugeordnet. Der Intensitätsanstieg der Intra-3d Lumineszenz mit steigender Anregungsleistung ist nahezu linear und weist einen stärkeren Anstieg für Anregungsleistungen oberhalb von 300 mW/cm2 auf, was auf einen Übergang von spontaner Emission zu stimulierter Emission hinweist.