磁控溅射制备La掺杂ZnO纳米薄膜的微观结构及其光学特性研究

摘要

用光替代电子作为信息载体的光电子信息材料因为信息技术的高速发展而成为目前最受瞩目的材料之一。ZnO纳米薄膜在光电子、微电子学、光化学等领域应用广泛。近年来,稀土离子掺杂ZnO纳米薄膜因为其独特的电学、光学、磁学性质而倍受学者们的关注。
　　为了研究La掺杂对ZnO纳米薄膜的微观结构和光学特性的影响,我们用射频磁控溅射法分别在Si基底和玻璃基底上制备了纯ZnO纳米薄膜和La掺杂面积比不同的ZnO:La纳米薄膜样品(S1,S2,S3,S4,B1,B2,B3,B4)。然后,通过X射线衍射技术、扫描电子显微镜、能谱仪、紫外—可见分光光度计以及荧光分光光度计对样品进行表征,详细的分析研究了La掺杂及其掺杂量对ZnO纳米薄膜样品的微观结构和光学性质的影响。
　　从微观结构方面分析,随着La掺杂,我们所制备ZnO薄膜样品的半高宽、晶粒尺寸、晶格常数、薄膜应力、薄膜表面致密度及表面平整度均发生了变化;适量的La掺杂可以细化ZnO薄膜的晶粒尺寸,制备出表面致密度高且c轴择优取向性好的ZnO纳米薄膜。通过控制La得掺杂量可以控制ZnO纳米薄膜的晶粒大小。
　　对样品(B1、B2、B3、B4)进行光吸收谱的测量,得到La掺杂使得ZnO纳米薄膜在可见光区的透过率增加,达到90％以上,对紫外区的光吸收减少,并且随着La掺杂量增大,ZnO纳米薄膜的吸收边发生蓝移、光学带隙会增大。用量子限域模型计算La掺杂ZnO纳米薄膜的光学带隙理论值,所得结果与吸收谱中所得结果趋势一致,说明影响La掺杂ZnO纳米薄膜的光学带隙改变的主要因素是量子尺寸效应。La掺杂是通过对ZnO纳米薄膜的晶粒大小及薄膜表面平整度等地影响来改变它的光透过率和光学带隙的。
　　用荧光分光光度计测量样品(B1、B2、B3、B4)的光致发光谱,观测到了波长在368nm、388nm的强紫外峰,410nm的紫光峰,442nm的蓝光峰以及490nm的弱蓝绿发光带。结合全势能线性多重轨道法对ZnO中存在的几种本征缺陷能级的计算结果,以及我们制备的La掺杂ZnO纳米薄膜的结构得出,368nm的强紫外发光峰源于ZnO薄膜的带—带发射,388nm的强紫外峰源于ZnO薄膜中的激子发射,410nm的紫光锋源于ZnO薄膜中的晶界缺陷,442nm的蓝光峰源于Zni缺陷到价带顶的跃迁,而490nm的蓝绿发光带则由Zni缺陷能级和VZn缺陷能级之间的跃迁引起。掺杂适量的La有助于制备出室温下高紫外发光的ZnO纳米薄膜。

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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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1 绪论

1.1 ZnO晶体的基本性质和用途

1.1.1ZnO的基本性质

1.1.2ZnO的基本用途

1.2 ZnO纳米材料的研究

1.2.1ZnO的微观结构的研究

1.2.2ZnO发光材料的研究

1.2.3掺杂对ZnO纳米材料的影响

1.3论文的研究思路及主要内容

2 ZnO薄膜的制备

2.1 ZnO薄膜的常用制备方法

2.1.1溶胶—凝胶法

2.1.2化学气相沉积法

2.1.3分子束外延法

2.1.4脉冲激光沉积法

2.1.5水热合成法

2.1.6化学沉积法

2.1.7磁控溅射法

2.2 La掺杂ZnO纳米薄膜的制备

2.2.1衬底的预处理

2.2.2La掺杂ZnO纳米薄膜的制备

2.3 纳米薄膜的测量技术

2.3.1X射线衍射技术（XRD）

2.3.2扫描电子显微镜

2.3.3能谱仪

2.3.4紫外—可见光分光光度计

2.3.5荧光分光光度计

3 La掺杂ZnO纳米薄膜的微观结构

3.1 La掺杂ZnO纳米薄膜的XED分析

3.2 La掺杂ZnO纳米薄膜的SEM形貌分析

3.3 La掺杂ZnO纳米薄膜的EDS分析

3.4 本章小结

4 La掺杂ZnO纳米薄膜的光学性质

4.1 La掺杂ZnO纳米薄膜的吸收光谱

4.2 La掺杂ZnO纳米薄膜的带隙宽度

4.3 La掺杂ZnO纳米薄膜的光致发光谱

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢