ZnO和ZnO-Eu3+薄膜的制備及其光學(xué)特性研究.pdf

1、ZnO是一種具有寬帶隙(3.37eV)、高激子束縛能(60meV)的N型直接帶隙半導(dǎo)體材料。由于具有多種優(yōu)異特性，使其在薄膜電致激發(fā)器件、陰極射線發(fā)光器件、顯示器、X-射線成像、熒光成像和閃爍基數(shù)器等方面得到了廣泛應(yīng)用。利用水熱法制備的ZnO薄膜不僅具備其它常見(jiàn)方法制備的樣品所具有的特性，而且成本較低，操作過(guò)程簡(jiǎn)單以及易于實(shí)現(xiàn)摻雜等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，Eu3+摻雜ZnO薄膜因具獨(dú)特的發(fā)光特性，是一種非常具有潛力的摻雜改性方法。本文利用直流磁

2、控濺射法與水熱法相結(jié)合成功的制備了不同結(jié)構(gòu)形貌的ZnO薄膜及ZnO∶Eu3+薄膜，并分別采用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、分光光度計(jì)、PL譜和Raman譜深入研究了不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)ZnO薄膜和ZnO∶Eu3+薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性的影響。研究結(jié)果如下:
　　(1)采用CS-300直流磁控濺射鍍膜儀制備的ZnO薄膜均呈現(xiàn)(002)、(101)、(102)、(103)衍射峰特征的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且沿(002)晶面C-軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)。隨

3、著沉積溫度的升高，(002)衍射峰的強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱。在沉積溫度為250℃時(shí)ZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到最佳。在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)ZnO薄膜樣品平均透射率均高于80％。隨著沉積溫度的升高，ZnO薄膜的本征特征發(fā)光峰的位置隨點(diǎn)缺陷增多而發(fā)生明顯的紅移。
　　(2)采用水熱法在直流磁控濺射制備的ZnO種子層上生長(zhǎng)ZnO薄膜。深入研究了水熱反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及其光學(xué)特性的影響。結(jié)果表明:所有薄膜樣品均沿(002)晶面C-軸擇優(yōu)取向生

4、長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的變化造成ZnO薄膜的取向、平均晶粒尺寸及表面顆粒分布程度的演變。在水熱反應(yīng)條件為12h、95℃時(shí)，薄膜樣品的(002)衍射峰的強(qiáng)度最強(qiáng)，而且薄膜表面顆粒分布均勻致密。隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的延遲，平均透射率先增大后減小。隨著水熱反應(yīng)溫度的升高，薄膜的壓應(yīng)力增大，達(dá)到一定的程度會(huì)使襯底上的薄膜脫落。無(wú)論通過(guò)控制水熱反應(yīng)時(shí)間還是水熱反應(yīng)溫度制備的所有ZnO薄膜的光致發(fā)光PL譜均具有相似的特征，且PL譜變化趨勢(shì)也幾乎一致，在

5、12h、95℃條件下制備的ZnO薄膜樣品的自由激子發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)。與前章結(jié)果比較，該方法制備的樣品具有較好的結(jié)晶質(zhì)量，另外ZnO的本征特征發(fā)射峰也比較強(qiáng)而且很尖銳。
　　(3)采用水熱法在直流磁控濺射制備的ZnO種子層上生長(zhǎng)ZnO∶Eu3+薄膜。研究表明:ZnO∶Eu3+薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性與Eu3+摻雜摩爾百分比（REu/Zn）及退火處理溫度改變引起的結(jié)晶程度和表面顆粒大小的變化密切相關(guān)。所有的ZnO∶Eu3+薄膜均具有(00

6、2)、(101)、(103)特征衍射峰的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且沿(002)晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，其強(qiáng)度隨摻雜比例和退火溫度的改變，先增強(qiáng)后減弱，Eu3+以替位的形式進(jìn)入ZnO晶格中，薄膜表面由顆粒組成。在REu/Zn=5％和退火溫度為600℃時(shí)，ZnO∶Eu3+薄膜的(002)衍射峰的半高寬值最小，而且5Do→7F2能級(jí)躍遷產(chǎn)生的紅色發(fā)光峰的強(qiáng)度最大。由于Eu3+半徑大于Zn2+半徑，當(dāng)不同比例的Eu3+以替位的形式進(jìn)入ZnO晶格必定會(huì)引起薄膜