ZnO薄膜的制备与性能分析

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种具有六方纤锌矿晶体结构的宽禁带II-VI族半导体材料,由于其优良的特性,在太阳能电池、紫外探测器、声表面波器件、气敏传感器、透明电极等方面得到了广泛的应用。近年来,由于Al掺杂的ZnO薄膜（ZAO）具有与ITO薄膜相比拟的光电性能（可见光区高透射率和低电阻率）,又因其价格较低以及在氢等离子体中的高稳定性等优点,已经成为替代昂贵的ITO薄膜的首选材料和当前透明导电薄膜领域的研究热点之一。本文主要采用溶胶-凝胶法制备ZnO及其Al掺杂薄膜,以醋酸锌为原料,二乙醇胺为稳定剂,异丙醇为溶剂,并采用硝酸铝来提供掺杂离子。用XRD、AFM、SEM和紫外可见、紫外荧光分光光度计等测试手段对沉积的薄膜进行了表征和分析。分析了ZnO及其掺杂薄膜的导电机制,用Van der Pauw方法对样品的电学特性进行了测量。实验结果表明,利用溶胶-凝胶法制备的ZnO及ZAO薄膜,具有较好的晶体结构和光电特性。XRD表明,制备的薄膜为多晶,退火处理能使其结晶度提高。旋涂层数增大至20层时,（002）方向的择优取向度增加。AFM和SEM表明,样品表面较平整,且晶粒较致密。薄膜的光谱分析结果表明:ZnO薄膜样品的可见光透射率平均值均在90%以上,Zn离子浓度为0.8mol/L的溶胶经旋涂并在500℃下退火1小时后可获得最高的可见光透射率,平均透射率约为94%。ZAO样品的可见光区透射率同样达到90%,随着Al掺杂浓度或退火温度的升高,薄膜光吸收边向短波方向移动。薄膜透射率与旋涂速度、Zn离子浓度以及退火温度等因素有关。薄膜的电学性能分析结果表明,ZAO薄膜的电阻率受Al掺杂浓度及退火温度的影响较大。当Al掺杂浓度为1%时有最小的电阻率。随着退火温度的升高,电阻率减小。本文还利用了磁控溅射法制备了Mn掺杂ZnO薄膜,主要对其电学及光学性能进行了研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO 的研究背景
• 1.2 ZnO 的基本性质
• 1.2.1 ZnO 的结构
• 1.2.2 ZnO 中的本征缺陷
• 1.2.3 ZnO 中的非故意掺杂杂质
• 1.3 ZnO 薄膜的性能及其应用
• 1.3.1 光电特性
• 1.3.2 气敏特性
• 1.3.3 压电特性
• 1.3.4 压敏特性
• 1.3.5 ZnO 材料的其他应用
• 1.4 ZnO 薄膜的掺杂
• 1.4.1 Al 掺杂ZnO 薄膜的研究意义
• 1.4.2 Mn 掺杂ZnO 薄膜的研究意义
• 1.5 ZnO 薄膜的制备方法
• 1.5.1 磁控溅射法
• 1.5.2 脉冲激光沉积法
• 1.5.3 分子束外延法
• 1.5.4 化学气相沉积法
• 1.5.5 喷雾热分解法
• 1.5.6 溶胶－凝胶法
• 1.6 本文的研究目标及内容
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 ZnO 及其掺杂薄膜的制备及测试方法
• 2.1 Sol-Gel 法涂膜
• 2.1.1 Sol-Gel 法的基本过程
• 2.1.2 溶胶-凝法的特点
• 2.1.3 溶胶-凝胶法制备薄膜常用的方法
• 2.1.4 影响因素
• 2.2 溅射镀膜
• 2.2.1 溅射镀膜的基本过程
• 2.2.2 溅射镀膜的分类
• 2.3 磁控溅射镀膜
• 2.3.1 磁控溅射的原理
• 2.3.2 磁控溅射的特点
• 2.4 测试方法
• 2.4.1 物相结构分析
• 2.4.2 薄膜表面形貌分析
• 2.4.3 紫外-可见光谱分析
• 2.4.4 霍尔效应分析
• 2.4.5 PL 谱分析
• 第三章 溶胶凝胶法制备ZnO 薄膜及其表征
• 3.1 薄膜的制备
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 薄膜制备流程
• 3.1.4 样品测试技术
• 3.2 溶胶稳定性分析
• 3.3 结构及形貌分析
• 3.3.1 薄膜的晶体结构
• 3.3.2 薄膜的表面形貌
• 3.4 光学性能分析
• 3.4.1 透射光谱
• 3.4.2 光致发光
• 3.5 电学性能分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 溶胶凝胶法制备ZAO 薄膜及其表征
• 4.1 薄膜的制备
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 薄膜制备流程
• 4.2 ZAO 薄膜的结构及形貌分析
• 4.3 ZAO 薄膜的光学性能分析
• 4.4 ZAO 薄膜的电学性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁控溅射法制备 ZnO:Mn 薄膜及其表征
• 5.1 Mn 掺杂 ZnO 薄膜的制备
• 5.1.1 实验原料及仪器
• 5.1.2 实验流程
• 5.1.3 薄膜的测试技术
• 5.2 Mn 掺杂 ZnO 薄膜的结构及形貌分析
• 5.2.1 薄膜的晶体结构
• 5.2.2 薄膜的表面形貌
• 5.3 薄膜的透射光谱
• 5.4 Mn 掺杂 ZnO 薄膜的电学性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 在学期间主要参加的科研项目