ZnO薄膜和納米晶須的制備及性能研究.pdf

1、21世紀(jì)的技術(shù)要求器件小型化甚至小至納米尺寸，而其最終的性能要顯著增強(qiáng)。這一要求帶動(dòng)了納米材料的快速發(fā)展。納米材料獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)異的性能由其尺寸、表面結(jié)構(gòu)及粒子間的相互作用決定。在眾多的納米材料中，ZnO作為一種直接寬禁帶(3.37 eV)半導(dǎo)體材料而備受關(guān)注。ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物，具有低介電常數(shù)、高化學(xué)穩(wěn)定性等許多優(yōu)點(diǎn)，在透明導(dǎo)電薄膜、氣體傳感器和聲表面波器件等方面有著廣泛用途。本論文以ZnO薄膜和納米四腳狀晶須(T—ZnOw)

2、為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行制備、表征和分析。
　　在利用脈沖激光沉積系統(tǒng)(PLD)制備ZnO薄膜時(shí)，濺射成本較低的金屬鋅靶，成功的實(shí)現(xiàn)了低溫生長(zhǎng)高質(zhì)量 ZnO薄膜的目的。T—ZnOw的制備是通過兩步來完成的:第一步是在PLD系統(tǒng)中沉積參與 T—ZnOw生長(zhǎng)的鋅薄膜和氧化鋅薄膜；第二步是在擴(kuò)散爐中蒸發(fā)鋅粉生長(zhǎng) T—ZnOw。從實(shí)驗(yàn)角度上來看，PLD沉積系統(tǒng)能夠使鋅薄膜和氧化鋅薄膜均勻生長(zhǎng)，且保持原子級(jí)的清潔，這為理論上研究鋅薄膜和氧化鋅薄

3、膜在T—ZnOw生長(zhǎng)中的作用提供了有利的前提。主要內(nèi)容如下:
　　1、詳細(xì)介紹 ZnO薄膜和T—ZnOw的性質(zhì)及應(yīng)用。系統(tǒng)總結(jié)了利用XRD衍射峰計(jì)算晶粒尺寸和殘余應(yīng)力的理論方法，并對(duì)制備的ZnO薄膜的晶粒度及殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算和分析。納米晶須的生長(zhǎng)機(jī)制一直是納米材料領(lǐng)域的難點(diǎn)，我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。
　　2、研究濺射金屬鋅靶沉積 ZnO薄膜時(shí)，襯底溫度對(duì)ZnO薄膜質(zhì)量的影響。對(duì)在不同溫度下沉積的ZnO薄膜進(jìn)行

4、了XRD、TEM、FTIR測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明襯底溫度在300℃的時(shí)候，晶粒尺寸最大，薄膜內(nèi)部殘余應(yīng)力最小，薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好，形成結(jié)晶取向一致的單晶薄膜，并對(duì)影響薄膜結(jié)晶質(zhì)量的因素進(jìn)行討論。ZnO薄膜的Zn-O鍵伸縮振動(dòng)特征吸收的峰位置依賴于薄膜的晶粒尺寸。大的晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致傅里葉紅外吸收峰發(fā)生藍(lán)移，反之發(fā)生紅移。
　　3、研究鋅薄膜和氧化鋅薄膜對(duì)T—ZnOw的形貌及結(jié)晶的重要影響。研究有鋅薄膜和氧化鋅薄膜參與生長(zhǎng)的T—ZnOw，同

5、時(shí)與在藍(lán)寶石襯底上直接生長(zhǎng)的T—ZnOw進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過XRD、SEM、TEM、HRTEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)，鋅薄膜和氧化鋅薄膜對(duì)T—ZnOw的形貌和結(jié)晶有重要影響。有金屬鋅薄膜參與的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸均勻一致，產(chǎn)量較高，呈現(xiàn)六棱柱狀的腳，結(jié)晶質(zhì)量很好；有氧化鋅薄膜參與的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸均勻一致，產(chǎn)量較高，結(jié)晶質(zhì)量較好，呈現(xiàn)錐形的腳；對(duì)于沒有鋅薄膜和氧化鋅薄膜而直接生長(zhǎng)的T—ZnOw，結(jié)構(gòu)尺寸不均勻，結(jié)晶質(zhì)量也不好。通過分析，發(fā)現(xiàn)鋅薄膜和氧化鋅薄膜會(huì)

6、導(dǎo)致 T—ZnOw按照不同的生長(zhǎng)機(jī)制生長(zhǎng)，所以我們得到結(jié)構(gòu)、結(jié)晶質(zhì)量差異很大的氧化鋅納米四腳晶須。
　　4、通過增加鋅粉的質(zhì)量來提高生長(zhǎng)氣氛中的氣相飽和度，研究鋅蒸氣飽和度對(duì)T—ZnOw的重要影響。對(duì)生成物進(jìn)行了SEM、TEM、XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn)，高的氣相過飽和度增加了晶須側(cè)面捕捉氣相原子的幾率，導(dǎo)致 T—ZnOw的側(cè)面生長(zhǎng)，所以得到葉片狀腳的空間四腳結(jié)構(gòu)。
　　5、對(duì)有金屬鋅薄膜參與生成的T—ZnOw進(jìn)行光致發(fā)光測(cè)試，研究其光