脉冲激光沉积法制备ZnO薄膜及其光学性质的研究

论文摘要

ZnO是一种宽带隙的半导体材料，具有六方纤锌矿结构，室温下它的能隙宽度为3．37eV，激子束缚能高达60meV，可实现室温下的紫外受激发射，在表面声波器件、紫外光探测器、压敏器件和紫外激光器件等领域具有广阔的应用前景。ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。本文通过采用一种先进的薄膜制备方法一脉冲激光沉积在Si（100）上制备了ZnO薄膜，研究了制备参数（如衬底温度、氧压、激光脉冲能量等）对样品相关性质的影响。通过X射线衍射（XRD）测试分析了样品的结构特性，结果表明所有样品均有C-轴取向的生长特性，随着衬底温度和氧压的升高，ZnO（002）峰的半高宽减小，薄膜的质量有所提高。利用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对样品表面形貌进行表征，结果表明所有样品均垂直于衬底生长，且大部分表面晶粒尺寸均匀，在衬底温度为600℃时，薄膜出现了向ZnO纳米棒阵列转化的趋势。通过对样品的光致发光（PL）特性测试分析可知，所有样品均出现较强的紫外发射和可见光（深能级）发射，而Mg掺杂的ZnO薄膜的PL谱测试却只出现了较强的紫外发射，深能级发射很弱，说明适量有效的掺杂能减少ZnO薄膜中的缺陷。通过对样品的椭圆偏振光谱测试分析可知，随着衬底温度的升高，样品的折射率和消光系数均随波长增长呈递减趋势，且在波长为500nm后递减的幅度变小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO的基本性质、结构和应用
• 1.2 国内外研究进展和本人所做工作
• 第二章 ZnO薄膜制备与实验
• 2.1 薄膜生长过程及制备方法
• 2.1.1 电子束蒸发
• 2.1.2 分子束外延（MBE）
• 2.1.3 磁控溅射法
• 2.1.4 溶胶—凝胶法（sol-gel）
• 2.1.5 薄膜氧化法
• 2.2 PLD法制备ZnO薄膜
• 2.2.1 脉冲激光沉积工艺简介
• 2.2.2 实验设备及实验过程
• 第三章 ZnO薄膜的生长与表征
• 3.1 薄膜的生长过程
• 3.2 ZnO薄膜的XRD研究
• 3.2.1 XRD理论原理
• 3.2.2 样品的XRD测试分析
• 3.3 样品表面形貌的表征方法
• 3.3.1 原子力显微镜（AFM）的原理
• 3.3.2 衬底温度对样品表面形貌的影响的AFM研究
• 3.3.3 氧压对样品表面形貌的影响的AFM研究
• 3.3.4 扫描电子显微镜（SEM）的原理
• 3.4 ZnO薄膜的生长机理的研究
• 第四章 ZnO薄膜的光学性质的研究
• 4.1 ZnO薄膜的光致发光特性
• 4.1.1 ZnO的发光机制
• 4.1.2 不同的制备条件对ZnO薄膜光致发光特性的影响
• 4.1.3 Mg掺杂ZnO薄膜的PL谱研究
• 4.2 椭偏法测量ZnO薄膜的光学常数
• 4.2.1 椭圆偏振光谱测量的基本原理
• 4.2.2 不同衬底温度下制备ZnO薄膜的光学常数研究
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文