低能离子束“一键”点亮室温铁磁性——5% Mn 掺杂 ZnO 薄膜的新纪元

搁浅

低能离子束“一键”点亮室温铁磁性——5% Mn 掺杂 ZnO 薄膜的新纪元(DOI: 10.1039/c6ra25233h)



在自旋电子学、透明导电电极与柔性磁光器件三大赛道，如何在室温下获得 本征、可调控且非相分离 的稀磁半导体（DMS）一直是产业痛点。印度加尔各答大**合 IUAC、RRCAT 等同步辐射中心发表于 RSC Advances 的最新成果给出答案：
只需 800 keV Ar⁴⁺ 离子束、5×10¹⁴ ions cm⁻² 的低剂量辐照，即可将传统溶胶-凝胶法生长的 Zn₀.₉₅Mn₀.₀₅O 薄膜的室温饱和磁化强度 从 0.55 emu g⁻¹ 提升至 0.97 emu g⁻¹，同时保持 >90 % 可见光透过率，为 透明自旋电子器件 提供了可规模化、低成本的工艺窗口。
一、为什么选低能离子束？

• 精准控缺：800 keV 能量仅产生电子能量损失，几乎不引入核级联损伤，缺陷类型与浓度完全由剂量决定。
  
• 动态自愈：ZnO 本征辐射硬度高，缺陷在辐照过程中即可“自退火”，避免后续高温退火带来的掺杂再分布。
  
• 工艺友好：室温真空完成，与现有 TFT、OLED 产线兼容，无需额外退火腔。
  
  

二、核心发现一览

剂量 (ions cm⁻²)	室温 Ms (emu g⁻¹)	矫顽力 Hc (Oe)	主导配位	光学带隙(eV)	可见光透过率
0 (未辐照)	0.55	45	八面体 Mn³⁺ 为主	3.273	>90 %
5×10¹⁴ (最优)	0.97	140	四面体 Mn²⁺↑	3.274	>90 %
1×10¹⁵	0.19	39	混合	3.283	>90 %
1×10¹⁶	0.84	7	八面体回复	3.301	>90 %

三、微观机制揭秘

• 配位工程：
  EXAFS 与 XANES 首次同步证实——低剂量辐照可将 Mn 从 八面体间隙位（Mn³⁺O₆，诱发反铁磁耦合） 转变为 四面体替位（Mn²⁺O₄，强化铁磁耦合）。
  
• 缺陷调控：
  光致发光显示，最佳剂量下氧空位（V_O）浓度下降 30 %，同时锌空位（V_Zn）-锌间隙（Zn_i）复合中心形成，抑制了非辐射复合，维持高透光率。
  
• BMP 模型验证：
  Curie–Weiss 拟合给出正居里温度（+30 K），证明低剂量辐照体系为 无反铁磁耦合的束缚磁极化子铁磁态。
  
  

四、产业化落地路径

• 工艺窗口：800 keV Ar⁴⁺、剂量 5×10¹⁴ ions cm⁻²，室温真空 <10 min 完成。
  
• 兼容衬底：玻璃、蓝宝石、柔性 PI，薄膜厚度 550 nm（RBS 标定）。
  
• 器件验证：
  – 已在 2 inch 玻璃基板上完成连续 100 片均匀辐照，磁性能 RSD <5 %；
  – 与 ITO 共蒸镀后，方块电阻 <50 Ω/□，磁光克尔转角 0.5°@550 nm。