Ta/Mg掺杂对ZnO薄膜结构及其光学特性影响的研究

摘要

ZnO是II-VI族直接带隙宽禁带半导体材料,具有六角纤锌矿晶体结构,室温下禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV,远高于室温下的热离化能(26 meV),这使 ZnO在室温或更高温度下存在激子受激发射并具有很高稳定性。此外,ZnO优异的电学、光学、压电等性能,使它在光发射二极管、太阳能电池、透明电极等领域有广泛的应用。并且有价格低廉、无毒、原材料资源丰富、高的热稳定性和化学稳定性等特点,是目前为止最有前途的TCO材料之一。ZnO的薄膜形态有与其它结构形态所不能替代的优点,然而,未掺杂的 ZnO薄膜通常包含着各种本征缺陷,这些本征缺陷很大程度上会影响ZnO薄膜的微观结构和发光特性。一般而言,可以通过掺杂、表面修饰,优化工艺参数等对ZnO薄膜进行改性。从而使其结晶质量、光学、电学和磁学等性质得到改善。
　　本论文以磁控溅射法制备Ta和Mg掺杂ZnO薄膜为基础,分别讨论了Ta掺杂深度对ZnO:Ta薄膜和制备工艺参数对ZnO:Mg薄膜的微观结构、透过率、光学带隙以及发光特性的影响。本论文的主要工作如下:
　　1、用磁控溅射法在Si衬底上沉积了未掺杂ZnO薄膜和ZnO:Ta薄膜,采用X射线衍射谱( XRD)、紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计(P L)等表征技术,重点探讨了Ta掺杂浓度对薄膜微观结构和光学特性的影响。结果表明适量的Ta掺杂(3 wt.％)促进了薄膜的c轴择优取向,改善了薄膜的结晶质量;透射谱和光学带隙曲线显示,随着Ta掺杂量的增加,ZnO:Ta薄膜的紫外吸收边发生蓝移,光学带隙逐渐增大,用Burstein-Moss效应解释了这一现象;PL谱显示薄膜主要有四个发光峰:366 nm(3.39eV)的紫外发光峰,发光中心位于410 nm(3.03eV)的紫光发光带,476 nm(2.60e V)左右的蓝光发光峰以及570 nm(2.18 eV)的黄光发光峰,分别讨论了它们的发光机制。并且发现当Ta掺杂量为3wt.%时,不但在520 nm处出现了一个较宽的绿光带,而且薄膜中所有发光峰的强度也变得最强,从 XRD分析结果可知,此时 Z nO:Ta薄膜的结晶质量最好,所以我们认为薄膜的发光特性与薄膜的结晶质量有关。
　　2、采用JGP560B型这种型号的磁控溅射仪制备ZnO:Mg薄膜时,不可避免地会遇到Mg片的熔点低、易燃,普通玻璃衬底温度不宜过高等问题,所以我们在低温下制备了ZnO:Mg薄膜,并且研究了衬底和退火温度对它的微观结构和光学特性的影响。结果表明低温沉积时,衬底和退火温度都对ZnO:Mg薄膜的择优取向和结晶质量有影响。透射谱和光学带隙曲线显示,随着衬底温度的增加,ZnO:Mg薄膜的紫外吸收边发生蓝移,光学带隙增大;随着退火温度的增加, ZnO:Mg薄膜的紫外吸收边发生红移,光学带隙增减小。此外,在不同衬底温度下制备的ZnO:Mg薄膜的PL谱中发现了位于390 nm的紫外发光峰和470 nm左右的蓝光峰,我们认为390 nm紫外发光峰强度与ZnO:Mg薄膜的结晶质量有关,而470 nm蓝光峰的产生与VO有关。因此,在采用JGP560 B型磁控溅射仪在普通玻璃上沉积 ZnO:Mg薄膜时,通过改进工艺参数,也能制备带隙可调的 ZnO薄膜,并且制备过程简单,成本低。

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

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第一章 绪 论

1.1 ZnO的基本性质及晶体结构

1.2 ZnO薄膜的特性

1.3 ZnO薄膜的缺陷

1.4 ZnO薄膜的掺杂

1 .5 研究意义与研究内容

参考文献

第二章 ZnO薄膜制备及表征方法

2 .1 磁控溅射法

2.2 ZnO薄膜的表征

参考文献

第三章 Ta掺杂ZnO薄膜结构和光学特性的研究

3 .1 引言

3 .2 实验部分

3 .3 结果与讨论

参考文献

第四章 温度对ZnO:Mg薄膜结构和光学特性的影响

4 .1 引言

4 .2 实验部分

4.3 衬底温度对ZnO:Mg薄膜结构和光学特性的影响

4.4 退火温度对ZnO:Mg薄膜结构和光学特性的影响

4 .5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5 .1 总结

5 .2 展望

附 录：硕士期间发表的论文

致谢