金属(Cu、Al、Ti)掺杂对ZnO薄膜微观结构和光学特性的影响

摘要

氧化锌(ZnO)是一种II-VI族直接带隙宽带半导体，室温下直接带隙宽度为3.2～3.4eV，激子束缚能高达60meV。在大气条件下，ZnO具有六方纤锌矿结构。ZnO无毒，原料廉价易得，且具有较高的化学、机械稳定性及优异的光电学特性，有望在光发射二极管、太阳能电池、透明电极、蓝/紫光发射器件、表面超声波器件等方面得到广泛的应用。因此研究ZnO薄膜的特性具有十分重要的意义。纯的ZnO薄膜通常存在着各种本征缺陷，例如Zn空位、O空位、填隙Zn、填隙O和反位O，这些本征缺陷很大程度上会影响ZnO薄膜的微观结构、表面形貌、透射率和发光特性。通过引入杂质可改变ZnO薄膜的缺陷浓度，从而使得ZnO薄膜的结晶质量和发光特性提高。
　　本文紧扣ZnO材料研究中的热点，采用射频磁控溅射方法选择制备了Cu、Al、Ti三种金属掺杂ZnO薄膜，并利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和光致荧光发光(PL)等表征技术，详细研究了掺杂对ZnO薄膜微观结构、表面形貌和光学特性的影响，从而为ZnO薄膜的应用提供一些实验数据和理论基础。得出的主要结果如下：
　　1、Cu掺杂ZnO薄膜微观结构和发光特性的研究中发现，Cu掺杂后的ZnO薄膜有很好的c轴择优取向；XPS表明Cu在ZnO薄膜中的主要是以Cu+的形式存在。对于Cu掺杂后的ZnO薄膜，衬底温度增加到350℃时，薄膜的(002)衍射峰强度最强、半高峰宽最小、平均晶粒尺寸最大，这表明衬底温度为350℃时，薄膜的c轴择优取向最好，结晶质量最好。PL谱表明薄膜有四个主要的发光峰，分别是位于424nm、485nm的蓝发光峰和位于528nm、568nm左右的绿发光峰。真空退火后，ZnO薄膜的结晶质量得到了提高，并且发光强度得到了明显的提高。
　　2、在Si衬底上制备了低温ZnO缓冲层，并在缓冲层上制备了不同Al掺杂量的ZnO薄膜。研究了不同Al掺杂量对ZnO薄膜的微观结构和光学性能的影响。XRD和SEM测试结果显示了掺Al后的ZnO薄膜具有较好的c轴择优取向。随着Al掺杂量的增加，(002)衍射峰的半高宽先增大后减小，薄膜的结晶质量得到了改善。样品透射率随掺杂量的增加而降低，可见光范围内平均透射率在70％以上。用量子限域模型理论上计算了薄膜的光学帯隙，与我们线性拟合所得结果的变化趋势完全一致。所有样品出现三个发光峰,分别对应于444nm、483nm为中心的蓝光发光峰，和以521nm(2.38eV)为中心较弱的绿光峰。分析可知，444nm左右的蓝光峰可能来源于电子从填隙Zn能级到价带顶的跃迁，483nm左右的蓝光峰可能来源O空位形成的深施主能级上的电子跃迁到价带顶的结果，521nm左右的绿光峰来源于电子从导带到反位O能级的跃迁。
　　3、在Si衬底和玻璃衬底上制备了Ti掺杂ZnO薄膜，研究了不同衬底对Ti掺杂ZnO薄膜的结晶性能和光学特性等的影响。结果表明Si衬底上的Ti掺杂ZnO薄膜沿(002)方向生长，而玻璃衬底上的薄膜朝向(100)方向生长。最后我们研究了不同氧分压对Ti掺杂ZnO薄膜的结晶性能和光学特性等的影响。结果表明：适当的氧分压可以提高薄膜的c轴择优取向和结晶质量。薄膜在可见光范围内的光学透过率高达90%，并且透过率不随氧氩比的改变而改变。通过对光致发光谱的分析表明，薄膜有四个主要的发光峰：428、444、476、527nm，并对这四个发光峰的起源进行了详细的讨论。

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第一章 绪 论

§ 1.1 ZnO材料的基本性质

§1.2 ZnO材料的应用

§1.3 ZnO材料的研究进展及其研究现状

§1.4 本论文主要的研究内容

参考文献

第二章 ZnO薄膜的制备与表征

§2.1常用的制备方法

§ 2.2 常用的表征方法

参考文献

第三章 Cu掺杂ZnO薄膜微观结构和光学特性的研究

§3.1 实验工艺和基本参数

§3.2 ZnO:Cu薄膜微观结构及光学特性研究

§3.3 本章小结

参考文献

第四章 Al掺杂ZnO薄膜微观结构和光学特性研究

§4.1 实验工艺和基本参数

§4.2 ZnO:Al薄膜微观结构及光学特性研究

§ 4.3 本章小结

参考文献

第五章 Ti掺杂ZnO薄膜微观结构和光学特性研究

§ 5.1 实验工艺和基本参数

§ 5.2 ZnO:Ti薄膜微观结构及光学特性研究

§ 5.3 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

§ 6.1 总 结

§ 6.2 展 望

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的论文