ZnO和ZnO:Eu3+薄膜的制备及其光学特性研究

摘要

ZnO是一种具有宽带隙(3.37eV)、高激子束缚能(60meV)的N型直接带隙半导体材料。由于具有多种优异特性，使其在薄膜电致激发器件、阴极射线发光器件、显示器、X-射线成像、荧光成像和闪烁基数器等方面得到了广泛应用。利用水热法制备的ZnO薄膜不仅具备其它常见方法制备的样品所具有的特性，而且成本较低，操作过程简单以及易于实现掺杂等诸多优点。此外，Eu3+掺杂ZnO薄膜因具独特的发光特性，是一种非常具有潜力的掺杂改性方法。本文利用直流磁控溅射法与水热法相结合成功的制备了不同结构形貌的ZnO薄膜及ZnO∶Eu3+薄膜，并分别采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、分光光度计、PL谱和Raman谱深入研究了不同实验参数对ZnO薄膜和ZnO∶Eu3+薄膜的微观结构及光学特性的影响。研究结果如下:
　　(1)采用CS-300直流磁控溅射镀膜仪制备的ZnO薄膜均呈现(002)、(101)、(102)、(103)衍射峰特征的六角纤锌矿结构，且沿(002)晶面C-轴择优取向生长。随着沉积温度的升高，(002)衍射峰的强度先增强后减弱。在沉积温度为250℃时ZnO薄膜结晶质量达到最佳。在可见光区内ZnO薄膜样品平均透射率均高于80％。随着沉积温度的升高，ZnO薄膜的本征特征发光峰的位置随点缺陷增多而发生明显的红移。
　　(2)采用水热法在直流磁控溅射制备的ZnO种子层上生长ZnO薄膜。深入研究了水热反应时间和温度对ZnO薄膜的微观结构及其光学特性的影响。结果表明:所有薄膜样品均沿(002)晶面C-轴择优取向生长，反应时间和反应温度的变化造成ZnO薄膜的取向、平均晶粒尺寸及表面颗粒分布程度的演变。在水热反应条件为12h、95℃时，薄膜样品的(002)衍射峰的强度最强，而且薄膜表面颗粒分布均匀致密。随着水热反应时间的延迟，平均透射率先增大后减小。随着水热反应温度的升高，薄膜的压应力增大，达到一定的程度会使衬底上的薄膜脱落。无论通过控制水热反应时间还是水热反应温度制备的所有ZnO薄膜的光致发光PL谱均具有相似的特征，且PL谱变化趋势也几乎一致，在12h、95℃条件下制备的ZnO薄膜样品的自由激子发光强度最强。与前章结果比较，该方法制备的样品具有较好的结晶质量，另外ZnO的本征特征发射峰也比较强而且很尖锐。
　　(3)采用水热法在直流磁控溅射制备的ZnO种子层上生长ZnO∶Eu3+薄膜。研究表明:ZnO∶Eu3+薄膜的微观结构和光学特性与Eu3+掺杂摩尔百分比（REu/Zn）及退火处理温度改变引起的结晶程度和表面颗粒大小的变化密切相关。所有的ZnO∶Eu3+薄膜均具有(002)、(101)、(103)特征衍射峰的六角纤锌矿结构，且沿(002)晶面择优取向生长，其强度随掺杂比例和退火温度的改变，先增强后减弱，Eu3+以替位的形式进入ZnO晶格中，薄膜表面由颗粒组成。在REu/Zn=5％和退火温度为600℃时，ZnO∶Eu3+薄膜的(002)衍射峰的半高宽值最小，而且5Do→7F2能级跃迁产生的红色发光峰的强度最大。由于Eu3+半径大于Zn2+半径，当不同比例的Eu3+以替位的形式进入ZnO晶格必定会引起薄膜的微结构和发光特性的改变。随着退火温度的升高导致薄膜表面光散射程度与表面颗粒分布情况改变，使平均透射率和5Do→7F2跃迁产生的发光峰先增强后减弱。通过掺杂前后的拉曼光谱对比分析发现掺杂后Eu3+取代Zn2+与O2-成键或者与Zn2+成键而产生新的拉曼峰。此外，退火温度的变化在一定范围内会对平均晶粒尺寸、宏观应力、平均透射率及光致发光的强度造成极大的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及现状

1．2 ZnO的基本性质

1．3 稀土元素简介

1．3．1 稀土元素的光谱

1．3．2 稀土离子的光学特性及其应用

1．4 课题的提出

2 ZnO薄膜材料的制备技术、表征方法及其应用

2．1 ZnO薄膜材料的制备方法

2．1．1 溶胶-凝胶法

2．1．2 水热法

2．1．3 磁控溅射镀膜法

2．1．4 分子束外延(MBE)法

2．1．5 金属有机化学气相沉积

2．1．6 固相反应法

2．1．7 喷雾热分解法

2．1．8 其它制备方法

2．2 ZnO薄膜材料的表征

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 光致发光(PL)谱

2．2．3 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．4 紫外-可见-近红外分光光度计

2．2．5 拉曼(Raman)光谱

2．3 ZnO∶Eu3+薄膜的应用

2．3．1 光学方面的应用

2．3．2 电学方面的应用

2．3．3 磁学方面的应用

2．4 本论文的主要研究内容

2．5 小结

3 沉积温度对ZnO薄膜的结构及其光学特性的影响

3．1 采用直流磁控溅射法制备ZnO薄膜

3．2 ZnO薄膜特性分析

3．2．1 微结构和表面形貌

3．2．2 光学特性

3．3 小结

4 采用水热法在ZnO种子层上制备ZnO薄膜的研究

4．1 水热反应时间对制备的ZnO薄膜的微结构和光学特性的影响

4．1．1 制备及表征

4．1．2 微结构和表面形貌

4．1．3 光学特性

4．2 水热反应温度对制备的ZnO薄膜的微结构和光学特性的影响

4．2．1 制备及表征

4．2．2 微结构和表面形貌

4．2．3 光学特性

4．3 小结

5 两步法制备ZnO：Eu3+薄膜的微结构和光学特性的研究

5．1 Eu3+掺杂摩尔百分比对ZnO∶Eu3+薄膜的影响

5．1．1 制备及表征

5．1．2 微结构和表面形貌

5．1．3 光学特性

5．2 退火处理温度对ZnO∶Eu3+薄膜的影响

5．2．1 制备及表征

5．2．2 微结构和表面形貌

5．2．3 光学特性

5．3 小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 有待进一步解决的问题

参考文献

个人简历与硕士期间发表论文

致谢