Author: CAROLINA BOHORQUEZ MARTINEZ

Propiedades electrónicas y magnéticas de películas de ZnO y ZnO:Mn

Electronic and magnetic propierties of ZnO and ZnO:Mn films

CAROLINA BOHORQUEZ MARTINEZ (2017)

En este trabajo de tesis se han estudiado las propiedades ópticas, electrónicas y magnéticas de películas de ZnO y ZnO dopado con Mn usando las técnicas de catodoluminiscencia, espectroscopía túnel y microscopía de fuerza atómica. Las muestras de ZnO caracterizadas fueron de dos naturalezas, la primera un monocristal con la cara Zn pulida y orientación (0001), la segunda consiste en películas crecidas por el método de depósito por capas atómicas. Las películas dopadas con Mn fueron obtenidas mediante la técnica de depósito por baño químico (CBD). La morfología de las muestras se estudió a través de microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de efecto túnel (STM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) para las muestras dopadas. Para el estudio de las propiedades ópticas se utilizó la técnica de catodoluminiscencia (CL) a temperatura ambiente cuyo dispositivo se encuentra adaptado en el SEM. Las propiedades electrónicas estudiadas a través de espectros de conductancia fueron usados para medir del gap de superficie, para ellos se utilizó espectroscopia túnel de barrido a baja temperatura 77 K. Por último las muestras de ZnO:Mn fueron caracterizadas mediante microscopía de fuerza magnética (MFM) para observar los dominios magnéticos inducidos por la impurificación del Mn. De los resultados se obtuvo que hay dos emisiones que componen el espectro de CL del monocristal, una intensa centrada en 3.2 eV correspondiente al borde de banda del semiconductor y otra, no común en cristales de alta calidad cristalina, menos intensa centrada en 2.45 eV que corresponde a la emisión asociada a la presencia de vacancias de oxígeno, los cuales fueron generados por fronteras de grano identificadas por el STM. Los resultados de espectroscopía túnel (STS) revelaron una brecha de energía prohibida en la superficie del monocristal de aproximadamente 1.5 eV, atribuido a una alta densidad de portadores de carga libres posiblemente inducidos por la presencia de defectos nativos tipo vacancias de oxígeno, identificados por CL. Los estudios de AFM de la película de ZnO:Mn mostró que la película de ZnO sintetizada por ALD, usada como sustrato, promovió el crecimiento de granos de forma triangular que corresponden a la orientación (0001) del ZnO. Si bien la morfología de esta película dopada con Mn fue irregular, compuesta por numerosos aglomerados del mismo material adheridos a su superficie, su composición fue homogénea.

In this research, the optical, electronic and magnetic properties of ZnO and Mn-doped ZnO were studied using the techniques of cathodoluminescence, tunnel spectroscopy, and atomic force microscopy. The undoped samples studied were ZnO monocrystalline with a polished Zn face and orientation (0001), besides a ZnO film grown by atomic layer deposition (ALD). The Mn-doped sample was a film grown by chemical bath deposition (CBD) technique. The morphology of the samples was studied by scanning electron microscopy (SEM), scanning tunnel microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM) for the doped samples. For the study of the optical properties the cathodoluminescence (CL) technique, adapted in an SEM system, was used at room temperature. The electronic structure of samples was studied acquiring tunnel conductance curves using an STM in UHV and operated at 77 K. Finally, the magnetic response of the ZnO:Mn films was characterized by magnetic force microscopy (MFM). CL spectrum acquired from the ZnO monocrystal revealed two emissions centered at 3.2 eV that correspond to the ZnO band-edge besides a weak and broad emission of 2.45 eV assigned to the presence of oxygen vacancies, generated at the grain boundaries of the monocrystal, which were identified by STM. Tunnel spectroscopy measurements from the ZnO monocrystalline showed a surface band gap of about 1.5 eV, attributed to a high density of free electrons possibly induced by native oxygen vacancies. AFM images of the ZnO:Mn film exhibited the growth of triangular grains corresponding with the (0001) plane of the ZnO. These results also showed an irregular surface morphology composed of ZnO:Mn agglomerates adhered at the surface of the film. Tunnel spectroscopy of the ZnO:Mn films revealed the presence of donor states at 1.1 and 1.7 eV above the Fermi level, and acceptor states at 0.5 eV under the Fermi level. Finally, the MFM measurements of this film exhibited a strong magnetic interference in the oscillation phase of the cantilever at the agglomerates and the granular surface of the sample. This result was attributed to the homogeneous concentration of the Mn ion incorporated in the ZnO.

Master thesis

ZnO, Mn, Defectos puntuales, Catodoluminiscencia, Espectroscopía túnel, Microscopía de fuerza magnética, Estados profundos Point defects, Cathodoluminescence, Tunnel spectroscopy, Magnetic force microscopy, Deep states CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO SEMICONDUCTORES