非平衡狀態(tài)下薄膜表面形貌及相關(guān)函數(shù)研究.pdf

1、非平衡態(tài)就是指系統(tǒng)各部分物理性質(zhì)(如流速、溫度、密度)不均勻的現(xiàn)象。本文中的非衡態(tài)主要是指薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程是不平衡的，薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中，各種粒子之間的相互碰撞、粒子與基板碰撞發(fā)生反射、吸附及在基板上的形核與生長(zhǎng)、島形合成、合并與生長(zhǎng)最后形成連續(xù)的膜層都可以看成是在非平衡態(tài)下進(jìn)行的。近些年來(lái)，薄膜材料與薄膜技術(shù)得到迅速發(fā)展，各類(lèi)新型薄膜材料大量涌現(xiàn)，薄膜制作和微細(xì)加工工藝也在不斷創(chuàng)新。在眾多的薄膜材料中，ZnO薄膜材料的應(yīng)用非常廣泛。ZnO

2、是一種優(yōu)良的寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族n型半導(dǎo)體材料，其激子結(jié)合能高達(dá)60 MeV，室溫下易實(shí)現(xiàn)高效受激發(fā)射。它在室溫下的穩(wěn)定相是六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，通常具有(002)取向性生長(zhǎng)。ZnO的原料廉價(jià)、無(wú)毒，性能穩(wěn)定，并且容易得到，是最具開(kāi)發(fā)潛力的新型功能材料之一，被廣泛應(yīng)用于表面聲波器材、太陽(yáng)能電池電極、壓電器件、氣體傳感器、磁光器件、電光器件、新型發(fā)光材料、緩沖層等領(lǐng)域。由于ZnO薄膜物理化學(xué)性質(zhì)非常優(yōu)異，而ZnO的摻雜會(huì)使ZnO薄膜物理化學(xué)性質(zhì)變的更

3、加優(yōu)異。所以，近來(lái)研究ZnO摻雜的人不斷的增加，在ZnO薄膜中摻入不同的原子或離子，會(huì)改變ZnO的結(jié)構(gòu)和禁帶寬度，使ZnO薄膜產(chǎn)生新的物相，從而產(chǎn)生不同的理化學(xué)性質(zhì)。
　　 在本論文的工作中，我們采用射頻磁控濺射技術(shù)在硅襯底和石英玻璃襯底上制備出了高質(zhì)量摻雜的ZnO薄膜，并采用多種分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)、表面形貌特性進(jìn)行了研究。論文主要內(nèi)容如下：
　　 首先，我們研究了Er/Yb/Al的摻雜量的不同對(duì)ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)和表面形

4、貌的影響。結(jié)果表明，采用射頻磁控濺射技術(shù)在Si襯底上制備的ZnO薄膜，具有高的C軸取向性，而在同等條件下制備的Er/Yb/Al摻雜的ZnO薄膜，C軸取向性消失，變成了(102)取向性生長(zhǎng)的納米多晶薄膜。經(jīng)XRD測(cè)試還表明，Er/Yb/Al摻雜的ZnO薄膜的晶粒尺寸隨著Er元素含量的增多而減小，說(shuō)明了Er元素的摻雜有促使晶粒變小的趨勢(shì)。經(jīng)AFM測(cè)試表明，室溫下Er/Yb/Al摻雜的ZnO薄膜粗糙度普遍較高，薄膜質(zhì)量不好。這說(shuō)明了Er3+、

5、yb3+、Al3+的摻入引起了ZnO薄膜晶格場(chǎng)變化，使ZnO薄膜偏離了正常生長(zhǎng)。樣品灰度是隨著Er元素含量的增多而慢慢變小，平均粗糙度和均方根粗糙度也都相應(yīng)的減小，這點(diǎn)與XRD測(cè)試結(jié)果相符合。
　　 其次，我們研究了氧氬比對(duì)Er摻雜的ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響。通過(guò)X射線(xiàn)衍射分析了樣品薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)在硅片和石英玻璃襯底上制備的Er摻雜ZnO薄膜具有高度C軸擇優(yōu)取向性。隨著氧分壓升高，薄膜的(002)衍

6、射峰衍射強(qiáng)度越來(lái)越小，而FWHM值先變小，后變大，在氧氬比為4:16時(shí)最小，相應(yīng)的薄膜晶粒則是最大的，根據(jù)衍射峰的強(qiáng)度和薄膜晶粒大小分析，Er摻雜ZnO薄膜生長(zhǎng)的最適條件應(yīng)該在氧氬比為0:16到4:16之間，估計(jì)在2:16附近。原子力顯微鏡測(cè)試結(jié)果表明，隨著氧分壓的升高，薄膜表面的粗糙度相應(yīng)的變高了，在氧氬比為0：16時(shí)，雖然薄膜有最小粗糙度，但是樣品中顆粒大小不一，并且顆粒與顆粒之間還夾雜有不少的孔洞，而通入氧氣后這種現(xiàn)象減少了，與X

7、射線(xiàn)衍射分析結(jié)果一致。原子力顯微鏡分析還表明了，我們所制備的樣品薄膜的表面為高斯型隨機(jī)表面。
　　 最后，我們分析了襯底溫度對(duì)Er摻雜的ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響。通過(guò)X射線(xiàn)衍射分析了樣品薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，說(shuō)明了本實(shí)驗(yàn)在硅片和石英玻璃襯底上制備出的Er摻雜ZnO薄膜具有高度C軸擇優(yōu)取向性。隨著襯底溫度的升高，薄膜的衍射強(qiáng)度越來(lái)越高，晶粒先變小又變大，在400℃時(shí)晶粒最大。薄膜的晶格常數(shù)也隨著溫度的升高而趨向于標(biāo)準(zhǔn)的晶格發(fā)