雜質摻雜於半導體奈米顆粒簡介

1.4.1 雜質摻雜硒化鎘半導體量子點是困難的

所謂雜質摻雜是有意的將數量受監控的雜質引入半導體內。 雜質摻雜主要 應用在改變半導體塊材的電性。摻雜的行為同時也會影響刺激半導體奈米顆粒的 物理特性，而這些特性被預測可以應用在自旋電子學和量子資訊上。然而，雜質 能否成功的摻雜入奈米結構，有哪些因素影響雜質摻雜，是個重要的問題。

針對這問題，Steven C. Erwin 等人對半導體奈米結構摻雜作一系列探討 [11]；他們認為雜質吸附能力主要有三方面影響：(1)表面的型態，(2)奈米顆粒的 結構，和(3)界面活性劑。首先，他們針對 Mn 吸附Ⅱ-Ⅵ和Ⅳ-Ⅵ半導體和不同的 多面體作理論計算，發現晶體在zinc blende 結構和(001)表面的束縛能特別高；其 中CdSe 在 zinc blende (001)表面的束縛能比 Mn 高，表示 Mn 容易摻雜入 CdSe zinc blende 結構。而一般 CdSe 奈米結構多屬 wurtzite 多面體，所以比較不容易摻雜。

他們設計實驗來驗證不同結構對摻雜的影響，由於ZnSe 為 zinc blende 結構，所 以沉積在上面的CdSe 也會是 zinc blende 結構 (由 X-ray 繞射分析驗證，圖 11)；

如果Mn 有摻雜入 CdSe 時，用電子順磁共振(EPR)量測，會得到由超精細分裂的 六條頻譜，其頻率範圍在3200~3800 Gauss，而摻雜 Mn 的 CdSe 吸附在 ZnSe 上 可以輕易的觀察到此現象。雖然zinc blende 結構比 wurtzite 結構容易摻雜，但如 果Mn 有摻雜入硒化鎘 wurtzite 多面體時，則 EPR 頻譜為圖 11。

最後，他們認為奈米顆粒上的界面活性劑也會影響摻雜的程度。界面活性分 子用來使奈米結構之間的分離，但它本身也有可能吸附雜質，而使得表面吸附和 摻雜減弱。從以上幾點得知，若要使奈米顆粒更容易摻雜入雜質，需要注意成長 的結構，表面型態及界面活性劑的影響。

圖11 (a)分別為 ZnSe/CdSe:Mn (紅), ZnSe:Mn/CdSe (藍), 和 ZnSe奈米顆粒(灰)，(d)為 (a)所對應的EPR光譜，(b)為CdSe zinc blende多晶體的X-ray繞射圖(ZnSe/CdSe:Mn)；而(e) 為CdSe wurtzite 結構有摻雜Mn的EPR圖，(d)為對應的X-ray繞射圖。[11]

1.4.2 Cd_1-xMn_xSe量子點於EPR電子順磁共振頻譜結果

然 而Mn 是 否 有 成 功 摻 雜 入 我 們 的 樣 品 CdSe 奈 米 顆 粒 內 ， 可 從 先 前 對 MnxCd1-xSe量子點樣品用EPR電子順磁共振做量測的研究得知[13]。得到超精細分 裂在磁場3200 G與 3800 G之間的六條頻譜(圖 12a)，表示Mn有成功的摻雜入CdSe 奈米結構。此六條光譜是來自Mn原子核(I = 5/2)貢獻，及∆mS = +-1，∆mI = 0 的轉 換，其中mS和mI表示電子自旋和原子核自旋量子數。此研究同時指出，隨著Mn 摻雜濃度提高，EPR六條頻譜減弱，自旋-軌道交互作用會被破壞；而隨著顆粒尺 寸的縮小，因著彼此磁性的交互作用，電子自旋和原子核自旋的交互作用也將減 弱。

圖12 Cd1-xMnxSe的EPR頻譜 [13]

1.4.3 半導體量子點參雜磁性雜質的磁反應

鄭舜仁老師最近發一篇關於球型奈米結構摻雜磁性雜質(Mn)的理論研究 [13]；數值計算結果顯示，奈米顆粒上 sp 軌域自旋電子與 Mn 原子 d 軌域電子的 交互作用，將導致弱外加磁場下順磁性增強而強外加磁場下順磁性變弱，如下圖 13(c)。而此低場順磁的行為與奈米顆粒上的電子數及 Mn 離子所處位置相當有關。

圖13 CdSe 量子點參雜 Mn 能譜計算圖及磁化率對溫度做圖。 sp 軌域電子與 d 軌域電

子(Mn)有交互作用的能譜圖(a)，和(c)圖的實線部份；圖(b)和圖(c)的虛線部份為 sp-d 沒 交互作用時。[12]