多功能ZnO薄膜的制備與性能研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種新型寬禁帶直接帶隙Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為 3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60 meV，比同為寬禁帶半導(dǎo)體的ZnSe(22meV)，ZnS(40 meV)和GaN(25 meV)都高很多。這些特性使ZnO在室溫下可以產(chǎn)生很強(qiáng)的光致激子紫外發(fā)射，有利于研制高效率發(fā)光二極管(LED)、紫外探測(cè)器、藍(lán)紫光LED和LD等短波長光電器件。同時(shí)，ZnO的能帶結(jié)構(gòu)與TiO<,2>相似，在紫外光照射下，ZnO薄膜可以

2、產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在薄膜表面形成強(qiáng)的氧化-還原體系，對(duì)空氣或水溶液中的有機(jī)物源進(jìn)行氧化降解。故ZnO可以作為一種很有前途的光催化材料。此外，在太陽能電池工藝中，ZnO薄膜也有很好的應(yīng)用前景：在ZnO薄膜中進(jìn)行Ⅲ族(Al、Ga、In)元素?fù)诫s，可以使其在可見光區(qū)的光透過率增強(qiáng)(高達(dá)90％)，且具有良好的導(dǎo)電性，這些優(yōu)點(diǎn)使ZnO材料可作為太陽能電池窗口材料。針對(duì)ZnO薄膜材料在以上不同領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，本論文開展了相應(yīng)的研究工作。利用氧化法

3、制備納米ZnO薄膜的光催化研究，濺射法制備Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電薄膜，原位熱氧化氮化鋅(Zn<,3>N<,2>)工藝制備p型ZnO薄膜，并研究了制備工藝、摻雜以及結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響。 為了有效提高薄膜的孔隙率并增強(qiáng)其光催化性能，本論文利用兩步氧化法制備了．ZnO薄膜。即先在純氧氣氛中低于金屬鋅(Zn)熔點(diǎn)的溫度下對(duì)制備的Zn膜進(jìn)行初步氧化，然后再提高氧化溫度進(jìn)行二次氧化。通過降解苯酚實(shí)驗(yàn)分析表明，兩步氧化法制備的樣品的光催化性

4、能優(yōu)于一般氧化法得到的樣品。本研究工作為性能良好且成本低廉的ZnO光催化劑的制備找到了一條很好的途徑。 對(duì)于ZnO基透明導(dǎo)電膜在太陽能電池中的應(yīng)用，本工作以金屬Zn和鋁(Al)為靶材，采用射頻(RF)反應(yīng)共濺射技術(shù)在低溫(200℃)玻璃襯底上沉積了鋁摻雜氧化鋅(ZnO∶Al)薄膜。對(duì)制備樣品的形貌結(jié)構(gòu)、組成成分和光學(xué)電學(xué)特性進(jìn)行了分析表征。結(jié)果表明，我們成功制備了定向(002)生長的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO∶Al薄膜，其可見光透過

5、率達(dá)85％，電阻率在10<'-1>～10<'3>Ω·cm之間。該薄膜的性能基本符合光電器件，特別是薄膜太陽電池窗口層的應(yīng)用要求，并易于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。制備導(dǎo)電性良好的p型ZnO薄膜是發(fā)展ZnO基光電器件的重要因素。本論文采用射頻磁控濺射法在不同襯底溫度和不同氣氛下制備了Zn<,3>N<,2>薄膜，然后在低壓氧氣氛下進(jìn)行原位熱氧化制備N摻雜的ZnO薄膜。利用各種表征方法分別對(duì)Zn<,3>N<,2>薄膜和ZnO薄膜進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，襯底

6、溫度為200℃時(shí)制備的Zn<,3>N<,2>薄膜，在500℃下氧化2小時(shí)可以得到電阻率為0.7 Ω·cm，空穴濃度為10<'17>cm<'-3>，空穴遷移率為0.9 cm<'2>/V·s的具有c軸擇優(yōu)取向的p型ZnO薄膜。獲得的p型ZnO薄膜還具有良好的光學(xué)特性，紫外可見光范圍內(nèi)透過率為85％，處于紫外區(qū)域的激子復(fù)合產(chǎn)生的發(fā)光峰很強(qiáng)。以上可見，原位氧化工藝制備的p型ZnO薄膜質(zhì)量較好，重復(fù)性好。通過進(jìn)一步改進(jìn)工藝，有望制備出性能穩(wěn)定、載