热氧化法制备Cr-N共掺ZnO薄膜的结构及性能研究

摘要

本文首先用磁控溅射法在蓝宝石和石英玻璃衬底上制备ZnO:(Cr,N)薄膜的前驱物Zn3N2:Cr，然后通过在退火炉中通入氧气进行热氧化的方法得到ZnO:(Cr,N)薄膜。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见分光光度计、振动样品磁强计(VSM)和透射Z扫描技术对ZnO:(Cr,N)薄膜样品测试并获得数据，分析并研究了热氧化温度、Cr的溅射功率及衬底条件对ZnO:(Cr,N)薄膜的晶体结构、形貌和光学带隙的影响；并对不同制备条件下获得的ZnO:(Cr,N)薄膜样品的稀磁性能和三阶非线性光学特性进行分析并讨论。研究表明：⑴不同热氧化温度下获得的ZnO:(Cr,N)薄膜沿(002)方向择优生长，且热氧化温度对晶体形貌与晶粒尺寸几乎没有影响；热氧化温度400℃时，在石英玻璃衬底和蓝宝石衬底上生长的ZnO:(Cr,N)薄膜的光学带隙值最小分别为3.26eV和3.14eV；ZnO:(Cr,N)薄膜的光学带隙随着Cr掺杂浓度的增大而逐渐变大；对比不同衬底的薄膜样品发现蓝宝石衬底上生长的ZnO:(Cr,N)薄膜晶粒尺寸相对较大，光学带隙值较小。⑵利用VSM对ZnO:(Cr,N)薄膜样品的磁学性能进行测试，得到当Cr的溅射功率为12W，热氧化温度为500℃时，薄膜样品的室温铁磁性最强。⑶利用透射Z扫描技术对ZnO:(Cr,N)薄膜的非线性光学特性进行测试，并计算了ZnO:(Cr,N)薄膜的非线性吸收系数等参数，表明制备的ZnO:(Cr,N)薄膜在532nm纳秒脉冲激光作用下具有较强的饱和吸收特性，表现自散焦特性；且在Cr溅射功率为12W，热氧化温度为400℃时，样品的非线性最强。