ZnO透明導(dǎo)電薄膜和Se摻ZnO納米材料的制備及其光電性能的研究.pdf

1、ZnO是Ⅱ-Ⅵ族直接寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，在400nm-2μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有很高的透光率，是一種新型的透明半導(dǎo)體材料。另外，ZnO還具有成本低，無毒性，資源豐富，熱穩(wěn)定性高和容易合成等眾多優(yōu)點(diǎn)而成為制備光電器件的優(yōu)良材料，具有很高的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景。另一方面，還具有豐富的納米結(jié)構(gòu)，包括納米線、納米管、納米帶、納米棒等使人們對(duì)它保持著濃厚的興趣。因此，納米氧化鋅作為一種新型功能材料在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、肖特基二極管、紫外光探測(cè)器、氣敏傳感器、

2、納米發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用及發(fā)展前景。
　　 本文以ZnO為基礎(chǔ)與金屬Cu和Se粉制備了ZnO/Cu、ZnO/Cu/ZnO多層透明導(dǎo)電薄膜和ZnO：Se納米顆粒。研究了不同Cu層濺射時(shí)間對(duì)透明導(dǎo)電薄膜性能的影響，另外也通過表面光電壓研究了ZnO：Se納米粒子的光電特性，本論文的主要內(nèi)容如下：
　　 1、選純度99.99％的ZnO粉末和自制稀粘合溶劑作為原料，采用合理的燒結(jié)工藝在空氣氣氛下制備出優(yōu)良的ZnO陶瓷靶材。由X

3、RD圖譜可得制備出的ZnO陶瓷靶材與ZnO粉體物相一致均為多晶的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，結(jié)晶良好，沒有產(chǎn)生其它雜相。
　　 2、采用射頻磁控濺射技術(shù)，以高純度ZnO為靶材，在高純Ar環(huán)境，氣體壓強(qiáng)設(shè)定1.0Pa，固定靶和襯底的距離為65mm，濺射功率為80W的條件下在玻璃襯底上制備了ZnO薄膜。研究了不同濺射時(shí)間對(duì)ZnO薄膜光學(xué)透光率的影響。從透射圖可得5min濺射的ZnO薄膜的透光率均在90％以上，10min濺射的ZnO薄膜的透光率基

4、本上在85％以上，而15min濺射的ZnO薄膜出現(xiàn)最低的透光率基本上在70％以上，這主要是濺射時(shí)間的增加，薄膜的厚度增加，越來越多的光子被材料吸收，導(dǎo)致平均透光率呈下降趨勢(shì)。說明濺射時(shí)間對(duì)薄膜的光學(xué)特性影響很大。
　　 3、以ZnO陶瓷靶和金屬Cu靶為基礎(chǔ)在室溫條件下利用直流磁控濺射和射頻磁控濺射技術(shù)在玻璃襯底上制備了ZnO/Cu多層透明導(dǎo)電薄膜。通過改變金屬Cu層的濺射時(shí)間，并采用紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)分光

5、光度計(jì)和霍爾測(cè)試儀對(duì)ZnO/Cu多層薄膜的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了研究和分析。對(duì)ZnO多層透明導(dǎo)電薄膜而言，金屬層的濺射時(shí)間是一個(gè)很大的影響因素。多層透明導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電性能隨金屬濺射時(shí)間的增加而增強(qiáng)，然而，隨著金屬層濺射時(shí)間的增加多層薄膜的透光性將顯著降低。這是因?yàn)閆nO和金屬Cu的功函數(shù)相差比較大，金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)將發(fā)生載流子的流動(dòng)。由于ZnO的功函數(shù)明顯大于金屬Cu的功函數(shù)，電子將從功函數(shù)小的Cu層跑到功函數(shù)大的半導(dǎo)體ZnO層中

6、，導(dǎo)致半導(dǎo)體ZnO層載流子濃度增加，電阻率降低。電子在傳輸中要經(jīng)過晶界，很容易受晶界的散射作用，由于Cu層濺射時(shí)間比較短，Cu層會(huì)很容易形成島狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不連續(xù)的散射增加，使薄膜的遷移率降低。當(dāng)Cu層沉積時(shí)間變長(zhǎng)時(shí)，Cu層開始變連續(xù)島狀結(jié)構(gòu)減小，大部分電流經(jīng)過低阻的Cu層，薄膜的遷移率載流子濃度增加，電阻率降低。從薄膜的透射譜中發(fā)現(xiàn)，Cu層的引入降低了多層薄膜的透光率，這主要是因?yàn)殡S著Cu層濺射時(shí)間的增加，更多的電子參與了躍遷而吸收更多

7、的光，使多層結(jié)構(gòu)薄膜的透光率隨濺射時(shí)間的增加而降低。隨著多層結(jié)構(gòu)薄膜載流子濃度的增加薄膜的光學(xué)帶隙Eg下降。
　　 4、本節(jié)我們?cè)谑覝貤l件下利用直流磁控濺射和射頻磁控濺射技術(shù)在玻璃襯底上制備了ZnO與Cu層相結(jié)合的ZnO/Cu/ZnO多層結(jié)構(gòu)薄膜，通過改變ZnO層的濺射功率和金屬Cu層的濺射時(shí)間等工藝參數(shù)，并采用紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)分光光度計(jì)和霍爾測(cè)試儀對(duì)ZnO/Cu/ZnO多層薄膜的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等進(jìn)

8、行了研究和分析。當(dāng)Cu層的濺射時(shí)間增加時(shí)薄膜的載流子濃度提高，霍爾遷移率先降低后隨著時(shí)間的增加再上升，薄膜的電阻率降低。相同的Cu層不同ZnO濺射功率對(duì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)影響不大，對(duì)薄膜的透過率有比較大的影響。
　　 5、以醋酸鋅和Se粉為原料，以乙二胺為溶劑，利用溶劑熱和固相合成法制備了Se摻氧化鋅(ZnO：Se)納米顆粒，并通過X射線衍射、掃描電鏡、拉曼散射、紫外可見光吸收、表面光電壓等手段對(duì)樣品進(jìn)行表征測(cè)試，并通過表面光電壓譜

9、來初步評(píng)估納米顆粒的光電性能。所合成ZnO：Se的表面光電壓譜顯示出兩個(gè)光電響應(yīng)帶，即在330-380nm之間能觀察到一個(gè)明顯的光電響應(yīng)帶，同時(shí)在380-395nm又出現(xiàn)了第二個(gè)新的相對(duì)較弱的光電響應(yīng)帶，直至500nm。在正偏壓下，ZnO：Se納米材料的電場(chǎng)誘導(dǎo)表面光電壓譜的光電強(qiáng)度明顯變?nèi)酢nO：Se納米材料的電場(chǎng)誘導(dǎo)的表面光電譜顯現(xiàn)了兩個(gè)光電響應(yīng)帶在加正壓時(shí)不同的變化，即與第二個(gè)光電響應(yīng)帶對(duì)比，正向偏壓對(duì)第一個(gè)光電響應(yīng)帶的SPS強(qiáng)