ZnO薄膜制备及其光、电性能研究

论文摘要

六方纤锌矿结构的ZnO材料由于其具有独特的电学和光学性能,在压电、气体传感器、光电器件等领域有广泛的应用。本文采用Sol-gel法和RF磁控溅射法在玻璃和Si（111）衬底上沉积了ZnO薄膜,并对薄膜的结构、表面形貌、电学性能和光学性能等进行了表征。以二水合醋酸锌、乙二醇甲醚、乙醇胺、二水合氯化镁等为前驱物,在载玻片衬底上Sol-gel法制备了ZnO薄膜,系统研究了掺杂量、溶液浓度、热处理温度等对薄膜性能的影响。实验结果表明,适量Li或Mg的掺杂可促进薄膜（002）定向生长,并明显提高材料的电阻率;溶液浓度为0.45mol/L、旋涂7次、在610℃下热处理的Li/Mg共掺（Li/Zn = 0.10, Mg/Zn = 0.04）ZnO薄膜呈现极好的（002）定向性,定向指数达0.961,电阻率达6.0×107?cm。薄膜从光致发光研究表明, Li掺杂ZnO薄膜在PL谱上出现了403nm的发光峰,同时ZnO的带边发射（NBE）峰（371nm）消失,而Mg掺杂后不改变NBE峰的位置。随Li和/或Mg掺杂浓度的升高,ZnO薄膜材料的深能级发光峰（DLE）变弱。首次采用高RF磁控溅射功率（550W）制备了（100）择优取向的ZnO,其定向指数可达0.752,而在较低的功率（200～380W）下溅射,薄膜呈现很好的（101）取向,定向指数达0.799;基片加热至250℃、溅射功率200W时,制备的ZnO薄膜则表现为（002）择优取向性,定向指数为0.742。从原子堆积方式的角度提出了不同择优取向薄膜的生长机理。对三种择优取向薄膜的晶格常数的测试结果表明,（002）取向的晶胞较小,而（101）取向的薄膜晶胞最大。（100）取向薄膜的PL谱以Li的杂质能级峰（399nm）为主,（002）取向的薄膜以Zni缺陷的能级峰（420nm）为主,而（101）取向薄膜主要为带边发射（384nm）;薄膜的电阻率随溅射功率的增加而增大;薄膜的表面形貌表明,（100）取向的薄膜与其它取向薄膜相比晶粒更加细密。作为对比,实验还在Si（111）衬底上磁控溅射了ZnO薄膜,结果表明,RF功率在200～550W范围内均可获得（002）定向性极好薄膜,而在100W功率下,薄膜呈现（101）择优取向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 概述
• 1.2 ZnO 的晶体结构及薄膜的优点
• 1.3 ZnO 薄膜制备方法
• 1.3.1 磁控溅射工艺（Megnetron Sputtering）
• 1.3.2 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
• 1.3.3 脉冲激光沉积（PLD）工艺
• 1.3.4 分子束外延
• 1.3.5 金属有机化合物气相沉积
• 1.4 ZnO 薄膜的应用研究
• 1.4.1 ZnO 薄膜集成光学上的应用
• 1.4.2 ZnO 薄膜在压电器件方面的应用
• 1.5 ZnO 薄膜性能的研究进展
• 1.5.1 ZnO 薄膜的定向性研究
• 1.5.2 ZnO 薄膜的掺杂研究
• 1.5.3 ZnO 薄膜的光电性能研究
• 1.6 低维纳米ZnO 材料的研究进展
• 1.7 本课题的提出及研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 Sol-gel 法工艺的确定
• 2.1 溶胶－凝胶体系的选用
• 2.2 溶胶配制与薄膜制备工艺
• 2.3 热处理温度的确定
• 2.4 旋涂制度的确定
• 2.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 Li、Mg 掺杂对sol－gel 法制备的 ZnO 薄膜性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 掺杂对ZnO 薄膜性能的影响
• 3.3.2 制备工艺参数对 ZnO 薄膜性能的影响
• 3.3.3 薄膜发光性能的研究
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 RF 磁控溅射法制备不同择优取向的ZnO 薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 磁控溅射功率对 ZnO 薄膜定向性的影响
• 4.3.2 基片温度对ZnO 薄膜定向性的影响
• 4.3.3 热处理温度对ZnO 薄膜定向性的影响
• 4.3.4 从不同制备条件下ZnO 薄膜晶胞参数的变化讨论ZnO 薄膜的定向机理
• 4.3.5 不同取向ZnO 薄膜的表面形貌
• 4.3.6 制备条件对ZnO 薄膜电阻率的影响
• 4.3.7 Si（111）基片上制备ZnO 薄膜的对比研究
• 4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 不同择优取向 ZnO 薄膜发光性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同择优取向的 ZnO 薄膜的透过率与光学禁带宽度的研究
• 5.3.2 不同择优取向ZnO 薄膜的PL 谱研究
• 5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 过渡层对 ZnO 薄膜性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 过渡层种类对ZnO 薄膜性能的影响
• 6.3.2 RF 功率对Mg:ZnO 过渡层的ZnO 薄膜的性能影响
• 6.3.3 基片温度对Mg:ZnO 过渡层上的ZnO 薄膜的性能影响
• 6.3.4 热处理温度对Mg:ZnO 过渡层上的ZnO 薄膜的性能影响
• 6.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 实验中一些特殊现象的探讨
• 7.1 概述
• 7.2 ZnO 纳米棒阵列的探讨
• 7.3 含过渡层薄膜表面的一些特殊现象探讨
• 7.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第八章 总结
• 8.1 主要结论与创新点
• 8.2 未来工作展望
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 博硕士学位论文同意发表声明
• 发表意见书