衬底温度对低功率制备ZnO薄膜光学特性的影响

摘要

ZnO 是一种新型的直接带隙宽带半导体，室温禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能高达60meV，可以实现室温紫外激光发射。在大气条件下，ZnO 具有六方纤锌矿结构。作为新一代的宽带半导体材料，ZnO 具有优异的光学、电学及压电特性，在发光二极管、光探测器、电致荧光器件、透明导电薄膜、表面声波器等诸多领域有着广泛的应用。
　　 ZnO 薄膜的制备方法主要有：磁控溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积、喷雾热分解、溶胶-凝胶法等。磁控溅射法由于具有设备简单、成本低、易操作、沉积率高、对基底温度的要求相对较低且薄膜的附着性好，其成分在一定程度上可控等优点而被广大研究者广泛采用。
　　 本论文通过直流反应磁控溅射方法进一步研究了低功率条件下，制备温度对ZnO 薄膜的结构及光学特性的影响，从而为ZnO 薄膜的应用提供一些实验数据和理论基础。主要研究结果如下：
　　 1、在研究Si 衬底，衬底温度对ZnO 薄膜特性的影响中发现：在RT 到400℃范围内，随着衬底温度的升高，所制备样品的（002）峰半高宽逐渐减小，晶粒尺寸逐渐长大，结晶性能越来越好。
　　 通过紫外分光光度计对样品光致发光特性的研究，我们观察到440 nm、485nm和527 nm 左右的三个主发光峰。低功率条件下对制备的ZnO 薄膜的蓝光发射具有很重要的影响。综合分析得出：440 nm 左右的蓝光发射与Zni 有关，485 nm附近的蓝光发射是由于氧空位形成的深施主能级上的电子跃迁到价带顶的结果，而527 nm 左右较弱的绿光发射主要来源于导带底到氧错位缺陷能级的跃迁。生长温度主要是通过改变薄膜中缺陷种类及浓度而影响着ZnO 薄膜的发光特性。
　　 2、在研究玻璃衬底，衬底温度对ZnO 薄膜特性的影响中发现：当衬底温度为300℃时，所制备样品的（002）衍射峰半高宽度最小，晶粒尺寸最大，结晶性能最好。合适的衬底温度有利于提高ZnO 薄膜的结晶质量。
　　 通过对ZnO 薄膜光吸收和透射特性的研究，我们发现：所有样品在紫外区都显示出较强的光吸收；在可见光区，当衬底温度为200℃和300℃时，其平均透过率高达94％以上；这是由于ZnO的能隙比可见光区的能量高，因此在可见光区的光吸收主要为自由载流子吸收，而ZnO 薄膜的自由载流子迁移率很高，致使自由载流子吸收系数很小的结果。我们还应用量子限域模型对ZnO 薄膜的光学带隙作了相应的理论计算，计算结果与实验值符合的很好。
　　 3、在研究玻璃衬底，制备温度对ZnO 薄膜透射及光吸收特性的影响中发现：
　　 在可见光区，所有样品都表现出了很高的透过率，其中①室温和③室温制备、275℃退火处理这两个样品的透过率较好，平均透过率高达90％以上。同时在200nm 到300nm的紫外光波段，ZnO 薄膜表现出了强烈的透射性，透过率都超过100％，尤其是在①③号这两个样品中，ZnO 薄膜的透过率较高，都超过了400％，出现这种现象的原因：我们认为可能是溅射功率较低，薄膜缺陷较多，在短波长光激发下二次发光的结果。这只是初步的分析，其具体原因还有待进一步研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

第二章 ZnO 薄膜的制备和表征方法

第三章 Si 衬底、衬底温度对ZnO 薄膜特性的影响

第四章 玻璃衬底、制备温度对ZnO 薄膜特性的影响

第五章 总结与展望

致 谢

附录：攻读硕士学位期间发表的论文