稀磁性半導體為半導體材料內摻雜過渡元素，藉此誘發半導體材料之磁性，使材料具有室溫鐵磁性，然而，材料之磁性來源的機制尚未完全明瞭，依照材料之導電特性可使用不同耦合機制解釋之。當材料為金屬態時，以高密度的電子雲作為媒介由RKKY遠程交互作用產生磁耦合，當材料為絕緣態時，材料內部缺陷對電子產生束縛，以束縛電子為媒介，再缺陷所造成的束縛半徑產生磁耦合。但半導體材料內之磁耦合交互作用，仍無法明確解釋之，故本實驗目標為研究氧化鋅摻鈷薄膜於不同氧空缺濃度下，其氧空缺對薄膜特性及室溫鐵磁之關係。
本實驗使用固態合成法(Solid State Reaction)在860℃合成Zn0.95Co0.05O靶材，再以高週波濺鍍系統(sputter)於室溫製備不同氫氣與氬氣比例(H2/H2+Ar)之薄膜，藉此控制薄膜內之氧空缺濃度。然而，由分析X光光電子能譜(XPS)發現有效氧空缺有極大值，且X光繞射儀(XRD)與原子力顯微鏡(AFM)顯示氧空缺會影響結構與表面形貌，但對c軸的晶格常數與晶粒大小並無明顯影響。而鈷元素已取代鋅元素，達到摻雜效果，該部分可由XPS、穿透光譜與磁圓二色性光譜儀(MCD)佐證。穿透光譜與MCD之一階微分能充分了解光學能隙之變化。薄膜磁性則先由MCD判斷是否具有鐵磁性，再藉由超導量子干涉儀(SQUID)確認之。由SQUID之結果為各薄膜均擁有室溫鐵磁性，而MCD提供薄膜磁性皆來自氧化鋅主結構，少數薄膜同時擁有不明的磁性來源。

The dilute magnetic semiconductors is the semiconductor materials doped with transition elements, capable of room temperature ferromagnetism. However, the mechanism of oxide diluted magnetic semiconductor is not yet understood. In general, the mechanism for magnetic coupling, according to carrier concentrations can be explained by various mechanisms. When material is metal like, the magnetic coupling comes from RKKY interaction via high-density electrons. When the material is an insulator like, the magnetic coupling is mainly depended on, the defects that bound electrons to initiate magnetic coupling of those moments within the localized radius. For the material in semiconductor state, neither those two models nor other present models can explain their origins. Therefore we want to study Co doped ZnO with various oxygen vacancies (Vo) how Co and Vo affect the properties of the thin film and the room temperature ferromagnetism.
The Zn0.95Co0.05O target was prepared by solid state reaction method at 860oC; and the thin films were grown by PF sputtering technique in reduced atmosphere of mixed hydrogen and argon with the different ratio. The effective oxygen vacancies is proved by X-ray photoelectron spectroscope (XPS), and is found to affect the crystal structure and the film surface observed by a X-ray Diffraction (XRD) and an Atomic Force Microscope (AFM), but the lattice c constant and crystalline size along c-axis don`t. Transmittance and Magnetic Circular Dichroism spectrometer (MCD) measurements, found that the magnetic band gaps of films are not changed with Vo. Both MCD and the superconductor quantum interference device (SQUID), confirm that all the thin films shows room temperature ferromagnetism which majorly come from ZnO band around 3.45eV, a few thin films exhibit other magnetism sources as well.

目 錄
論文審定書…………………………………………………………………………….i
致 謝...............................................................................................................................ii
中文摘要.......................................................................................................................iii
English Abstract………………………………………………………..…………iv
目 錄…..………………………………………………………………………...……vi
表 次………………………………………………….…………………….……viii
圖 次…………………………………………………………….………………….…ix
第一章 導論…………………………………………………………………………1
1-1稀磁性半導體概述……………………………………………………………1
1-2稀磁性半導體磁性來源………………………………………………………3
第二章 理論背景…………………………………………………………………...6
2-1磁性物質種類…………………….…………………………………………...6
2-2 RKKY Model…………………….…………………………………………....8
2-3 Bounded Magnetic Polaron Model……………………………........................9
2-4 VRH Concentric Bounded Model…………………………….........................10
第三章 儀器介紹………………………………………………………..………....12
3-1 射頻磁控濺鍍系統 (RF magnetron sputtering system)……………….........12
3-2 X光繞射儀 (X-ray Diffraction)……...……………………..…….…………14
3-3 穿透光譜 (Transmission specra)…………………………………………....16
3-4 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope) ………..…..…………………....17
3-5 磁圓二色性光譜儀(Magnetic Circular Dichroism Spectormeter)……….….19
3-6 X光光電子能譜 (X-ray Photoelectron Spectroscope)……………………....21
3-7 超導量子干涉儀 (Superconducting Quantum Interference Device)…….....22
第四章 結果討論……………………………………………………...…………..23
4-1 靶材製備…………………………………………………………………….23
4-1-1 靶材配製………………………………….………………………….23
4-1-2 靶材元素比例………….…………………………………………….25
4-2 薄膜製備……………….……………...…………………………………….28
4-3 薄膜分析………………………………………………...…………………..29
4-3-1 X光繞射………………………………….…………………………..29
4-3-2 AFM與電阻……………………………………………….....………36
4-3-3 X光電子能譜…………………………………………….…………..39
4-3-4 穿透率及光學能隙……………………………….………………….47
4-3-5 磁圓二色性光譜…………….……………………………………….53
4-3-6 磁性量測……………………………………………………………..63
第五章 結論………………………………………………………………………...65
參考文獻………………………………………………………………………...…...66

參考文獻
[1] 許華書、黃榮俊, 物理雙月刊, 二十六卷四期, 599 (2004)。
[2] S.A. Wolf, D.D. Awschalom et al., Science 294, 1488 (2001).
[3] H. Ohno, F. Matsukura, and Y. Ohno et al., JSAP international No. 5, 4 (2002).
[4] H. Akinaga and H. Ohno, IEEE. Trans. Nano. 1, No. 1, 19 (2002).
[5] H.Ohno, Science 281, 951 (1998).
[6]R.R. Galazka, Postepy Fyzyki 28, 601 (1977).
[7]M.I. Aliyev, I.S. Dadashev et al, Phys. Met. Metallogr. 49, 166 (1980).
[8]F. Matsukkura, H. Ohno et al., Phys. Rev. 57, 2037 (1998).
[9]T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, et al., Science 287, 1019 (2000).
[10]K. Sato, H. Katayama-Yoshida, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L555 (2000).
[11] L. Liao, H. B. Lu, J. Appl. Phys. 102, 114307 (2007).
[12]G. L. Liu, Q. Cao, J. X. Deng, Appl. Phys. Lett. 90, 052504 (2007).
[13] H. Chou et al., Phys. Rev. B 77, 245210 (2008).
[14]Qian Wang et al., Phys. Rev. B 77, 205411 (2008).
[15] Sōshin Chikazumi著，張煦、李學養譯，磁性物理學，聯經出版社，(1982)。
[16] 劉昇旭，國立成功大學物理研究所碩士論文，九十四年七月。
[17] 蔡政宏，國立成功大學物理研究所碩士論文，九十七年七月。
[18] 王鳴輝，國立成功大學物理研究所碩士論文，九十三年七月。
[19] M.A. Ruderman and C. Kittel, Phys. Rev. 96, 99 (1954).
[20] T. Kasuya, Prog. Theor. Phys. 16, 45 (1956).
[21] K. Yoksidak., Phys. Rev. 106, 893 (1957).
[22]黃子祐，國立中山大學物理研究所碩士論文，一百零一年七月。
[23] J. M. D. Coey et al., Nature Materials 4, 173 (2005).
[24] 呂助增，真空技術與應用，國家實驗研究院 儀器科技研究中心，(2001)。
[25] 汪建民，材料分析，中國材料科學學會，(2006)。
[26] 林麗娟，X光繞射原理及其應用，工業材料86期，民國83年2月。
[27] 胡裕民, 物理雙月刊, 二十六卷四期, 587 (2004)。
[28] 黃文宏，國立中山大學物理學系研究所碩士論文，九十九年七月。
[29] 陳哲雄、林俊勳等人，原子力顯微鏡成像原理與中文簡易操作手冊，成功大學醫學工程所生醫感測實驗室。
[30] Lightner, D. A., J. E. Gurst, “Organic conformational analysis and stereochemistry from circular dichroism spectroscopy.” John Wiley & Sons, Inc. (2000)
[31] G. A. Gehring et al., Phys. Rev. Lett. 96, 197208 (2006).
[32]陳鳴桂、許華書，透過研讀磁圓二色性光譜儀之原理及儀器架設了解相關物理概念。
[33] 陳昭翰 超導量子干涉元件發展的回顧與展望，台灣磁性技術協會會刊，51期，西元2010年。
[34] 賴英煌 CHEMISTRY (THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI) SEP. 2002 Vol. 60, No. 3, pp.381~390
[35]李珠，感應耦合電漿質譜儀技術及在材料分析上的應用，工業材料雜誌，181期，民國91年1月
[36] 曹耀中，國立中山大學物理學系研究所碩士論文，九十九年七月。
[37] H. Wei, T. Yao, Z. Y. Pan, et al, J. Appl. Phys. 105, 043903 (2009)
[38] JCPD card No 04-0831
[39] JCPD card No 15-0806
[40] JCPD card No 36-1451
[41] D. D. Awschalom, D. Loss, and N. Samarth, Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, Springer, Berlin, (2002)
[42] S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990).
[43] P. Koidl, Phys. Rev. B. (1977) 2493–2499.
[44] Dake L.S., Baer D.R., Zachara J.M., Surf. Interface Anal. 14, 71 (1989)
[45] Y. Fukuma, H. Asada, J. Yamamoto et al , Appl. Phys. Lett. 93, 142510 (2008)
[46] M. Chen, X. Wang, Y.H. Yu et al, Appl. Surf. Sci 158, 134-140 (2000)
[47] J. K. Furdyna, J. Appl. Phys. 64, R29 (1988)
[48] J. R. Neal, A. J. Behan, R. M. Ibrahim et al, Phys. Rev. Lett. 96, 197208 (2006)
[49] Kevin R. Kittilstved, Jialong Zhao et al, Appl. Phys. Lett. 89, 062510 (2006)
[50] Xiaoqing Qiu, Guangshe et al. Nanotechnology 21 215703- 215708 (2008)
[51] 蕭凱文，國立中山大學物理學系研究所碩士論文，一百年十一月。