ZnO納米材料的制備及其特性研究.pdf

1、ZnO是寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，由于其光電特性受缺陷影響較小，激子束縛能較高(60meV,GaN為25meV)，體材料可得，生長溫度較低(可在200-700℃左右成膜，比GaN低幾百度)，并且材料來源廣泛、價格低廉，而成為繼GaN之后在光電研究領(lǐng)域，極有希望用于紫外和藍(lán)色發(fā)光器件的新型光電子材料。ZnO薄膜具有良好的透明導(dǎo)電性、壓電性、光電性、氣敏性、壓敏性、且易于與多種半導(dǎo)體材料實現(xiàn)集成化。由于這些優(yōu)異的性質(zhì)，使其具有廣泛的用

2、途和許多潛在用途，如制作紫外探測器、紫外發(fā)光管和激光器、高頻表面聲波器件、透明導(dǎo)電電極、微型傳感器等，其在航天、通訊、衛(wèi)生等高新技術(shù)領(lǐng)域和廣闊民用領(lǐng)域都具有廣泛的用途。 制備ZnO薄膜的方法有很多，包括：磁控濺射(sputtering)、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、原子層外延(ALE)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電子束蒸發(fā)沉積(e-beamevaporation)、噴涂熱解法(spraypyrolys

3、is)、溶膠-凝膠法(Sol-gel)、脈沖激光沉積(pulsedlaserdeposition，PLD)法等。激光脈沖沉積是近年來發(fā)展起來的先進(jìn)的薄膜生長技術(shù)，它是在高真空背景下用高能激光燒蝕ZnO靶材生成蒸發(fā)物淀積在加熱襯底上生長晶體薄膜的。脈沖激光沉積法與其它沉積方法相比有沉積時可以有較高的氧氣壓強，薄膜生長溫度低等優(yōu)點。 本論文是采用脈沖激光沉積的方法，在單晶Si(111)襯底上外延生長了沿c軸高度取向的ZnO薄膜。本文

4、分析研究了薄膜生長條件(不同的襯底溫度、不同的入射激光能量密度和不同的氧氣壓強)對ZnO薄膜性質(zhì)的影響。通過X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、光致發(fā)光和拉曼(Raman)散射技術(shù)對不同條件下生長的ZnO薄膜的性質(zhì)進(jìn)行了研究。 在其它參量保持不變的情況下，通過改變襯底溫度來研究它對ZnO薄膜的影響。結(jié)果顯示，較高的溫度時生長的薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)量，最佳生長溫度為400℃。薄膜的光致發(fā)光譜中有兩條發(fā)

5、光峰，一條為紫外峰，另一條為藍(lán)光峰。紫外峰的強度強烈依賴于薄膜的結(jié)晶度。藍(lán)光峰是由氧空位引起的，其強度隨襯底溫度的升高變強。原因是，較高的溫度會導(dǎo)致薄膜中氧原子的脫附，從而導(dǎo)致薄膜中氧空位增多，所以藍(lán)光峰的強度變強。 在保持其它實驗參量不變的條件下，通過改變?nèi)肷浼す饽芰棵芏葋硌芯克鼘nO薄膜結(jié)晶性以及發(fā)光性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入射激光能量密度為62.5J/cm2時，薄膜有最好的結(jié)晶度。通過光致發(fā)光譜結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入射激光能量密度的

6、提高會增強藍(lán)光峰的發(fā)光強度。入射激光能量密度的提高會加快ZnO薄膜與Si襯底之間相互擴散速度，形成更多的SiO2從而增加薄膜中的氧空位，所以藍(lán)光發(fā)光峰的強度變強。 在不同的氧氣壓強下制備了ZnO薄膜，并采用X射線衍射、原子力顯微鏡(AFM)和拉曼光譜儀研究了它的結(jié)構(gòu)特性、表面形貌和拉曼光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著氧氣壓強的增加，(002)衍射峰的強度越來越強，而半高全寬迅速變窄，薄膜質(zhì)量提高。通過對拉曼光譜的分析，我們發(fā)現(xiàn)氧氣壓強對薄膜