Si基ZnS纳米薄膜的化学水浴合成及其光学特性研究

摘要

在诸多半导体材料中，ZnS是一种重要的禁带宽度为3.7 eV半导体材料，在光电等方面有广泛的应用。对ZnS薄膜进行掺杂和热退火处理可以明显的改善ZnS薄膜的物理、化学等性能，在掺杂方面ZnS薄膜的n型掺杂尤为重要，为以后的p-n结的制备打下基础。
　　本文利用化学水浴法合成了多晶的ZnS薄膜和ZnS:Al3+薄膜，深入研究了样品的微结构和光学性质。主要的研究结果有：
　　(1)当氨水作为络合剂和pH值调节剂时，光快速热处理并没有导致非晶态的ZnS薄膜的结晶,这显示硅衬底上水浴制备结晶的ZnS薄膜单采用氨水作为络合剂是不行的；随着Thermal Treatment Temperature(Trtt)的升高，ZnS薄膜颗粒有比较明显的细化趋势，颗粒尺寸分布趋于均匀，表面粗糙度趋于减小，这可能是归结于光快速热处理过程中颗粒的重新排列和生长；薄膜的吸收边随Trtt总体趋于红移，该红移可归结于薄膜的应力的变化；Trtt的升高起初增大了薄膜中的点缺陷，随后由于薄膜内部的原子重新排列，点缺陷减少。值得注意是当Trtt>300℃时，与点缺陷相关的发光峰几乎消失。
　　(2)采用三乙醇胺作为络合剂，氨水作为pH值调节剂，在重掺杂的p型Si(100)衬底上合成了ZnO薄膜而不是ZnS薄膜，这可能归咎于ZnS的水解；选用乙二胺作为络合剂，当pH值为4时，制备出了结晶质量较好的ZnS薄膜。
　　(3)选用乙二胺作为络合剂，研究了乙二胺浓度对ZnS性质的影响。所制备的ZnS由立方相和少量的六方相组成。未加入乙二胺时，薄膜表面粗糙，出现了明显的颗粒团聚现象。随着乙二胺浓度的增加，薄膜表面趋于光滑和致密，可以看出络合剂在改善薄膜表面方面扮演着重要的角色。光学吸收边随乙二胺浓度的增加会蓝移，这归结于薄膜中应力的影响。所有样品的发射光谱均在可见光区呈现了宽的发射带，这与薄膜中的点缺陷(锌空位和硫空位)有关。
　　(4)前驱物锌离子浓度(CZn)对ZnS薄膜性能的影响很明显。当CZn为0.25 M时, XRD谱中观测不到明显的ZnS特征衍射峰，这表明在这种浓度下很难生成ZnS薄膜，或生成的薄膜结晶性不好，呈现非晶态。随着CZn的增加，薄膜的结晶性得到明显改善。
　　(5)本征的ZnS薄膜的电阻率为1.5×107Ωcm，当AlCl3为1.0 mmol时，电阻率降至4.2×102Ωcm，然后又随着AlCl3的增加而有所增大。薄膜电阻率起初的降低归结于部分Al3+对Zn2+的替代和薄膜结晶性的改善，前者会引起薄膜中自由载流子浓度的增加，而后者会提高自由载流子的迁移率。而后电阻率的增加可归咎于晶界散射的增强。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 本论文研究的内容

2 ZnS薄膜的制备和表征

2.1 ZnS薄膜的制备技术

2.2 ZnS薄膜的表征

2.3 小结

3 ZnS薄膜的水浴法制备和光学性质的研究

3.1 三乙醇胺对生成物性质的影响

3.2 热处理温度对ZnS薄膜的微结构和光学性质的影响

3.3乙二胺对ZnS薄膜性质的影响

3.4 乙二胺浓度对ZnS的微结构和光学性质的影响

3.5 沉积时间对ZnS薄膜的微结构和光学性质的影响

3.6 乙酸锌浓度对ZnS薄膜微结构和光学性质的影响

3.7 硫代乙酰胺浓度对ZnS薄膜的微结构和光学性质的影响

3.8 小结

4 ZnS:Al3+薄膜的水浴法制备和光电性质的研究

4.1 Al3+掺杂量对ZnS薄膜微结构和光电性质的影响

4.2 小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 进一步需要研究的内容

参考文献

个人简历及硕士期间发表的论文

致谢