Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构及光学性质研究

摘要

ZnO是一种具有六方纤锌矿结构的Ⅱ-Ⅵ族自激活的宽禁带半导体材料，是P6 mm点群对称的六角晶系纤锌矿晶体。室温下，其带隙宽度为3.37eV，激子束缚能高达60m eV。ZnO晶体在与c轴垂直的面上具有对称的弹性和电学性质，而在c轴方向择优取向的多晶薄膜具有单晶体似的光电性和压电性质。ZnO薄膜以其优良的压电性能、透明导电性能等使其在诸多领域得到广泛应用，如太阳能电池、压电器件、表面声波器件、气敏元件。并且凭借其优良的紫外发光特性使其在紫外探测器、LED、LD等领域有着巨大的发展潜力。另外ZnO的P型掺杂也是近年来研究的另一个热点和难点问题。人们往往通过掺杂来提高氧化锌在发光管、紫外光探测器、表面声波器件、压敏电阻器件等方面的应用。近年来，Ohtomo A等人发现通过Mg掺杂可调控ZnO的能带结构，随着Mg含量的改变，能隙宽度可由3.37 eV增加到3.87 eV。另外，掺入Ⅰ族元素可实现ZnO的转型。
　　 本论文中，在对ZnO晶体结构、ZnO薄膜的光电和压电特性、多层薄膜外延生长缓冲层和集成光学上的应用等有了一定认识后，综合各种ZnO薄膜制备技术的优缺点，选取了溶胶-凝胶(sol-gel)方法，以甲醇为溶剂，醋酸锌(Zn(CH3COO)2.2H2O)、氯化镁(MgCl2.6H2O)、氯化钠(NaCl)为初始原料，二乙醇胺为稳定剂反应制得溶胶，用旋转涂膜法在普通石英玻璃基体上镀膜，经干燥、预热处理、退火，最后成功地制备了具有c轴择优取向的均匀、透明的多晶Na-Mg共掺的ZnO薄膜。通过XRD、SEM、PL以及透射光谱的分析，其结果表明：Na-Mg共掺有利于ZnO薄膜的C轴择优取向生长，并且随着Na+掺杂浓度的增加，晶粒尺寸先增大后减小；通过比较不同掺杂浓度ZnO薄膜的PL谱，推测发光中心位于380nm的紫外发射与ZnO的自由激子复合有关，发现掺入Mg的确能使ZnO禁带宽度增大；Na-Mg共掺ZnO薄膜胶系中，薄膜Na0.02Mg0.2Zn0.78O具有比较优异的结晶和光学性能，Na0.04Mg0.2Zn0.76O薄膜PL谱只有一个强度很大的紫光发射，其近带边紫外光发射发光强度较未掺杂的ZnO增强了近10倍，极大地提高了薄膜紫外发光性能；总结最佳工艺条件为退火温度560℃、旋涂层数为5层。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

第2章ZnO综述

2.1 ZnO薄膜的性质

2.1.1 ZnO晶体结构性质

2.1.2 ZnO光学性质

2.1.3 ZnO电学性质

2.2 ZnO本征缺陷、极性掺杂及Mg的掺杂

2.2.1 ZnO中的本征缺陷

2.2.2 ZnO的极性掺杂

2.2.3掺杂Mg的ZnO(可调带隙的掺杂)

2.3 ZnO的应用

2.3.1紫外光探测器

2.3.2太阳能电池

2.3.3发光器件

2.4 ZnO制备方法

2.4.1磁控溅射法(Magnetron Sputtering)

2.4.2脉冲激光沉积法(Pulsed Laser Deposition)

2.4.3喷雾热解法(Spray pyrolysis)

2.4.4分子束外延(MBE)

2.4.5化学气相沉积法(CVD)

2.4.6溶胶-凝胶法(sol-gel)

第3章溶胶-凝胶法制备Na-Mg共掺ZnO薄膜

3.1溶胶-凝胶法制备薄膜的基本原理

3.2溶胶-胶法制备薄膜的方法

3.2.1喷涂法

3.2.2旋转涂覆法

3.2.3浸渍提拉法

3.3溶胶-凝胶法制备薄膜的特点

3.4 ZnO薄膜的形成原理

3.4.1实验机理

3.4.2 ZnO薄膜生长机

3.5本论文所用试剂及仪器介绍

3.5.1化学试剂

3.5.2仪器设备

3.6 Na-Mg共掺ZnO薄膜的制备过程

3.6.1溶胶的配制

3.6.2 Na-Mg共掺ZnO薄膜的制备工艺流程

第4章Na-Mg共掺杂的ZnO薄膜结构性能表征及分析

4.1不同掺杂浓度对ZnO薄膜性质的影响

4.1.1不同掺杂浓度对ZnO薄膜结晶性能的影响

4.1.2不同掺杂浓度对ZnO薄膜表面形貌的影响

4.1.3不同掺杂浓度对ZnO薄膜禁带宽度的影响

4.1.4不同掺杂浓度对ZnO薄膜发光性质的影响

4.2不同退火温度对ZnO薄膜性质的影响

4.2.1不同退火温度对ZnO薄膜结晶性能的影响

4.2.2不同退火温度对ZnO薄膜表面形貌的影响

4.2.3不同退火温度对ZnO薄膜禁带宽度的影响

4.3不同旋涂层数对ZnO薄膜性质的影响

4.3.1不同旋涂层数对ZnO薄膜结晶性能的影响

4.3.2不同旋涂层数对ZnO薄膜表面形貌的影响

4.3.3不同旋涂层数对ZnO薄膜禁带宽度的影响

4.4本章小结

第5章结论及展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢