科學家研究關於室溫稀磁性半導體的磁性來源發生機制已有很長時間，但仍然有許多不同的看法，再加上因為材料製成的再現性不佳，因此在探討這些機制上仍然是一大阻礙。然而，能產生磁性來源的機制中有一關於導體態的機制，何謂導體態，有電子可以在未填滿導帶上自由移動。是同時共摻雜金屬元素與磁性元素於氧化鋅中，提高載子濃度使得費米面提升與鈷能帶重疊，進而改變磁性變化，而此為實驗的最終目標。但目前本研究為最終目標的先期研究，即是製備出符合之薄膜樣品。故本研究之目標為尋找在何種成長條件下能製備出較有穩定且具有導電特性之薄膜，進而掌控材料的穩定性，使得後續的研究可以順利進行。
本實驗研究是使用固態反應合成法(Solid State Reaction)將所需摻雜元素(Co、Al)摻雜進氧化鋅並一起研磨燒結合成一靶材，我們選用兩種Al摻雜量作比較；一個為高摻雜量的1.9%，而另一個為低摻雜量的0.39%。利用射頻磁控濺鍍機技術尋找出成長在不同溫度(RT/200℃/300℃)及通入兩種不同成長氣體(分別為純Ar及O2/Ar)之具有較穩定導電特性的薄膜。
實驗的結果顯示，不論在結構、電性以及光學特性上，當Al低摻雜之樣品在高溫成長(300℃)時，薄膜能有保有較穩定的樣品狀態和產生較佳之導電特性；而Al高摻雜之樣品會導致晶格缺陷的產生或者是其他捕捉態的形成而降低樣品之導電特性。

Origin of magnetism in room temperature diluted magnetic semiconductors had been studied from long time, but the proper understanding of mechanism is still lacking. Bad reproducibility of these materials makes this task even more difficult. In one of those mechanism, magnetism originates due to the hopping of the charge carriers (electrons) through the conduction channel. But, there are possibilities that electrons did not fill up to the conduction band to have the free migration. In order to solve this problem, we have codoped metallic element (Al) and magnetic element (Co) at the Zn-site, so that Al can enhance the carrier density of the system which raises the Fermi-level to overlap with Co band. In this work, we tried to optimize the growth condition to get reproducible and stable electric conduction in the thin-film. In this experiment, we used solid state reaction method to synthesize (Co, Al) codoped ZnO target. We choose two Al-doping percentage to make the comparison, one is a high doping quantity 1.9%, and another one is low doping quantity 0.39%. We used the RF sputtering method to grow thin-films at different growth temperature (RT/200 °C/300 °C) and under two different atmospheres (Ar and O2) to achieve stable conducting thin-films. We studied the structural, electrical and optical properties of the as grown thin-films and we observed that the thin-films grown with low Al-doping and at high temperature (300 °C) exhibits stable sample condition and good electric conduction. The thin-films grown with high Al-doping shows lattice imperfection which reduces electric conduction of these thin-films.

論文審定書 i
誌謝 ii
中文摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 xi
第一章 緒論 1
1-1 前言[1,2] 1
1-2 稀磁性半導體(Diluted Magnetic Semiconductor，DMS)發展 2
1-3 文獻回顧 4
1-4 研究目的 7
第二章 基本理論 8
2-1氧化鋅(ZnO)材料介紹[10] 8
2-2 磁性物質的種類[14] 9
(Ⅰ) 順磁性(paramagnetic) 9
(Ⅱ)鐵磁性(ferromagnetic) 10
(Ⅲ)反鐵磁性(anti-ferromagnetic) 11
(Ⅳ)亞鐵磁性(ferrimagnetic) 11
(Ⅴ) 抗磁性(diamagnetic) 12
2-3 RKKY理論模型 13
2-4 BMP Model (Bounded Magnetic Polaron Model，束縛極化子型) 14
2-5 VRH Concentric Bounded Model (同心圓模型) 15
第三章 儀器介紹與實驗方法 17
3-1 射頻磁控濺鍍系統(RF magnetron sputtering system) [20] 17
3-2 X光繞射儀(X-Ray Diffraction system) 19
3-3 穿透光譜(Transmission spectrum) 22
3-4 電性量測 23
3-5 霍爾量測 24
3-6 X-ray 吸收光譜[26,27] 26
3-7 Zn0.9454Al0.0039Co0.0476O/ Zn0.9334Al0.019Co0.0476O/Zn0.9238Al0.0286Co0.0476之靶材製作[22,23] 34
3-8 靶材製作探討 40
3-9 基板清洗 41
3-10 薄膜成長 42
第四章 數據分析與討論 43
4-1粉末繞射分析 43
4-2 薄膜繞射分析 44
4-3 Co K-edge近緣吸收光譜 49
4-4 電性分析 51
4-5 Transmittance 穿透率 57
4-6 表面型態分析(AFM) 65
第五章 結論 67
參考文獻 68

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