ZnO薄膜制備及其光、電性能研究.pdf

1、六方纖鋅礦結構的ZnO材料由于其具有獨特的電學和光學性能，在壓電、氣體傳感器、光電器件等領域有廣泛的應用。本文采用Sol-gel法和RF磁控濺射法在玻璃和Si(111)襯底上沉積了ZnO薄膜，并對薄膜的結構、表面形貌、電學性能和光學性能等進行了表征。 以二水合醋酸鋅、乙二醇甲醚、乙醇胺、二水合氯化鎂等為前驅物，在載玻片襯底上Sol-gel法制備了ZnO薄膜，系統(tǒng)研究了摻雜量、溶液濃度、熱處理溫度等對薄膜性能的影響。實驗結果表明，

2、適量Li或Mg的摻雜可促進薄膜(002)定向生長，并明顯提高材料的電阻率；溶液濃度為0.45mol/L、旋涂7次、在610℃下熱處理的Li/Mg共摻(Li/Zn=0.10，Mg/Zn=0.04)ZnO薄膜呈現(xiàn)極好的(002)定向性，定向指數(shù)達0.961，電阻率達6.0×107Ωcm。薄膜從光致發(fā)光研究表明，Li摻雜ZnO薄膜在PL譜上出現(xiàn)了403nm的發(fā)光峰，同時ZnO的帶邊發(fā)射(NBE)峰(371nm)消失，而Mg摻雜后不改變NBE峰

3、的位置。隨Li和/或Mg摻雜濃度的升高，ZnO薄膜材料的深能級發(fā)光峰(DLE)變弱。 首次采用高RF磁控濺射功率(550W)制備了(100)擇優(yōu)取向的ZnO，其定向指數(shù)可達0.752，而在較低的功率(200～380W)下濺射，薄膜呈現(xiàn)很好的(101)取向，定向指數(shù)達0.799；基片加熱至250℃、濺射功率200W時，制備的ZnO薄膜則表現(xiàn)為(002)擇優(yōu)取向性，定向指數(shù)為0.742。從原子堆積方式的角度提出了不同擇優(yōu)取向薄膜的生

4、長機理。對三種擇優(yōu)取向薄膜的晶格常數(shù)的測試結果表明，(002)取向的晶胞較小，而(101)取向的薄膜晶胞最大。(100)取向薄膜的PL譜以Li的雜質能級峰(399nm)為主，(002)取向的薄膜以Zni缺陷的能級峰(420nm)為主，而(101)取向薄膜主要為帶邊發(fā)射(384nm)；薄膜的電阻率隨濺射功率的增加而增大；薄膜的表面形貌表明，(100)取向的薄膜與其它取向薄膜相比晶粒更加細密。作為對比，實驗還在Si(111)襯底上磁控濺射了

5、ZnO薄膜，結果表明，RF功率在200～550W范圍內均可獲得(002)定向性極好薄膜，而在100W功率下，薄膜呈現(xiàn)(101)擇優(yōu)取向。 Li的摻雜會使磁控濺射的ZnO薄膜光學禁帶寬度變小，(101)取向薄膜的光學禁帶寬度最大，隨熱處理溫度升高及濺射功率的增大，薄膜的禁帶寬度隨之變小。 實驗還首次用Sol-gel法制備Li、Mg和Li/Mg：ZnO過渡層，再在過渡層上磁控濺射ZnO薄膜。結果表明，在Mg：ZnO、Li/M

6、g：ZnO過渡層上沉積的ZnO薄膜(002)定向性要明顯優(yōu)于在Li：ZnO過渡層上沉積的薄膜，且(002)定向性隨過渡層加厚而提高。采用Mg：ZnO過渡層(2層)、在優(yōu)化的濺射功率下(380W)并進行適當?shù)臒崽幚?，制得的ZnO薄膜(002)定向指數(shù)可達0.948，同時，薄膜中的晶粒均勻，致密性好。 在低溶液濃度(0.25mol/L)下，采用Sol-gel法在玻璃襯底上可制得(002)定向指數(shù)達0.984的ZnO納米棒陣列(直徑5