ZnO缺陷調(diào)控及其波譜學(xué)研究.pdf

1、ZnO作為一種極富前景的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有大的室溫激子束縛能、優(yōu)異的輻照穩(wěn)定性以及形貌和納米結(jié)構(gòu)的可控合成等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于熱控涂層、紫外激光器、太陽(yáng)能電池、透明導(dǎo)電薄膜、傳感器、自旋電子器件以及平板顯示器等領(lǐng)域。ZnO材料及器件實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵在于對(duì)ZnO缺陷和雜質(zhì)的理解和調(diào)控。然而，盡管人們對(duì)ZnO的研究已進(jìn)行了半個(gè)多世紀(jì)，無(wú)論是大塊單晶還是納米結(jié)構(gòu)的ZnO，其缺陷物理、處理方式和宏觀性能之間的關(guān)系并沒有得到較好的掌握

2、，一些基本問題仍然沒有研究清楚，嚴(yán)重阻礙了ZnO材料及器件的發(fā)展應(yīng)用。
　　本文采用施、受主摻雜，離子注入及氣氛退火等典型性處理手段，對(duì)ZnO晶格點(diǎn)陣缺陷及雜質(zhì)的種類和濃度進(jìn)行了調(diào)控，結(jié)合全面、互補(bǔ)的缺陷表征測(cè)試，研究了ZnO中點(diǎn)陣缺陷的調(diào)控機(jī)制及其光譜學(xué)特性，并對(duì)多晶粉末、單晶晶須和體相單晶等不同形態(tài)的ZnO進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，探索了ZnO材料的缺陷-處理?xiàng)l件-光學(xué)性能之間的聯(lián)系，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　通過對(duì)ZnO進(jìn)行空氣、

3、N2、O2、H2高溫?zé)崽幚砗虷+、電子注入試驗(yàn)，研究了熱處理和粒子注入所誘發(fā)的光學(xué)性能退化的機(jī)制及其差異。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空氣、N2和O2氣氛下熱處理誘發(fā)的藍(lán)紫光吸收具有相同的特性，吸收中心位于395nm；而H+和電子注入產(chǎn)生的光吸收曲線明顯寬化，吸收中心分別位于420nm和430nm。分析表明，ZnO在空氣、N2和O2氣氛下熱處理產(chǎn)生的藍(lán)紫光吸收與退火氣氛無(wú)關(guān)，可主要?dú)w于中性VO缺陷，而H2氣氛下退火和質(zhì)子、電子注入誘發(fā)的光吸收則可歸于中性

4、VO和Zni缺陷共同作用的結(jié)果。另外發(fā)現(xiàn)Al施主摻雜可以有效消除熱處理引起的光吸收，卻不能抑制質(zhì)子注入誘發(fā)的光學(xué)性能退化，表明Al摻雜消除熱處理引起的光吸收是通過補(bǔ)償氧空位機(jī)制，而非載流子填充單電離氧空位缺陷機(jī)制。
　　探討了ZnO熒光光譜中深能級(jí)發(fā)射的起源問題，通過缺陷調(diào)控，標(biāo)定了不同能量的可見發(fā)光峰所對(duì)應(yīng)的缺陷中心。通過H2退火、高溫O2退火和Al摻雜及退火處理，揭示出波長(zhǎng)為494nm(2.51eV)，526nm(2.35eV

5、)和550nm(2.26eV)的可見發(fā)光峰可分別歸于VO、VZn和Oi相關(guān)的缺陷中心。原始ZnO中位于503nm(2.46eV)的平滑的發(fā)光峰，可能源于VO到CuZn1+雜質(zhì)之間的施主-受主對(duì)的輻射復(fù)合，熱處理后產(chǎn)生的具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的503nm發(fā)光峰則源于CuZn2+發(fā)光。
　　研究了ZnO多晶粉末FT-IR光譜中出現(xiàn)的波數(shù)在3414cm-1、3549cm-1、3591cm-1、3602cm-1、3640cm-1和3680cm-1附

6、近的6個(gè)紅外吸收峰的起源問題。通過測(cè)量具有不同粒徑大小和純度的ZnO的紅外吸收光譜，以及對(duì)ZnO進(jìn)行Li及其同位素Li6摻雜試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這6個(gè)紅外吸收峰與ZnO的雜質(zhì)及在禁帶中局域化的表界面態(tài)缺陷無(wú)關(guān)。在D2和H2退火處理后，觀測(cè)到H同位素峰移，表明其源于吸附在ZnO不同晶面上的H2O分子或OH基團(tuán)，而非氫化的VZn-H缺陷。
　　通過對(duì)ZnO進(jìn)行H2O2刻蝕、高溫O2退火等富氧條件處理和Li受主摻雜，對(duì)ZnO晶格中兩種主要受主型缺

7、陷VZn和LiZn的產(chǎn)生機(jī)制及相應(yīng)光學(xué)信號(hào)的標(biāo)定進(jìn)行了探索。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)ZnO進(jìn)行H2O2刻蝕和Li摻雜處理，均在ZnO低溫PL光譜中出現(xiàn)414nm(3eV)的發(fā)射峰，證明了該峰為VZn缺陷相關(guān)的信號(hào)，與Li、Na等替位Zn缺陷無(wú)關(guān)。H2O2刻蝕和高溫O2退火處理則均在ZnO中引入525nm的綠光發(fā)光峰，可歸于與414nm發(fā)光中心具有不同電荷態(tài)的VZn缺陷。此外，實(shí)現(xiàn)了Li摻雜原子在ZnO晶格中受主態(tài)LiZn和施主態(tài)Lii兩種型位的可控控