磁控溅射及真空蒸镀制备的纳米氧化锌薄膜的光电性质研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体材料,室温下的带隙宽度为3.37eV,激子束缚能高达60 meV.自1997年首次在ZnO多晶薄膜上实现了室温光泵浦紫外激光以来,有关ZnO材料的研究已经成为光电领域国际前沿课题中的热点之一.针对当前ZnO的研究工作的热点问题,本论文主要对氮掺杂ZnO多晶薄膜材料的光电性质和镶嵌在绝缘基质当中的纳米ZnO颗粒的结构和光学性质进行了研究,具体研究内容如下:(1)利用磁控溅射及后退火的方法制备出氮掺杂的ZnO薄膜材料,通过多种表征手段研究了氮的掺入对ZnO薄膜微结构、紫外发光和电学特性的影响.观察到由氮引起的局域拉曼振动模,以及束缚在中性受主上的激子的发光表明利用这种方法能够实现对ZnO的有效氮掺杂,并可以通过改变退火温度的方法调节ZnO:N薄膜中氮杂质的含量.(2)通过共溅射的方法,制备了包埋有ZnO纳米颗粒的SiO<,2>薄膜材料.在800℃退火后得到了通常形成温度较高的Zn<,2>SiO<,4>材料.并在700℃退火温度下形成Zn<,2>SiO<,4>/ZnO纳米颗粒的核壳结构.Zn<,2>SiO<,4>壳层的形成促进了ZnO纳米颗粒中的应力释放以及缺陷态密度的降低,从而提高了ZnO纳米颗粒的近带边紫外发光的效率.(3)利用共蒸发及后退火的方法制备了MgO包埋的ZnO纳米颗粒材料.研究结果表明MgO基质与ZnO之间形成的MgZnO合金层对ZnO纳米颗粒中的载流子起到限制作用,并且部分钝化了ZnO纳米颗粒的表面缺陷.主要表现为ZnO纳米颗粒材料的带隙宽度随退火温度升高逐渐增大,紫外发光峰蓝移并且强度逐渐增强,而缺陷发光明显减弱.

目录

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摘要

第一章引言

1.1氧化锌的基本特性和研究意义

1.2氧化锌紫外受激发射的研究概述

1.3纳米结构氧化锌材料的研究概况

1.4氧化锌的掺杂和器件研究

参考文献

第二章ZnO材料制备方法及表征手段

2.1 ZnO薄膜的制备技术

2.1.1分子束外延(MBE)

2.1.2脉冲激光沉积(PLD)

2.1.3金属有机化合物汽相沉积(MOCVD)

2.1.4磁控溅射技术

2.1.5电子束蒸发

2.1.6高温退火设备简介

2.2表征手段介绍

2.2.1 X射线衍射谱

2.2.2透射和吸收光谱

2.2.3红外吸收谱

2.2.4拉曼光谱

2.2.5 X射线光电子能谱(XPS)

2.2.6微区光致发光谱

2.2.7霍尔效应测量

2.3小结

参考文献

第三章氮掺杂的多晶ZnO薄膜的结构及光电特性

3.1氮掺杂的多晶ZnO薄膜的制备和处理

3.2氮掺杂的多晶ZnO薄膜的结构分析

3.2.1 X射线衍射结果分析

3.2.2拉曼散射光谱分析

3.2.3 X光电子能谱(XPS)分析

3.3氮掺杂的多晶ZnO薄膜的光学特性分析

3.3.1吸收光谱分析

3.3.2光致发光谱分析

3.4氮掺杂的多晶ZnO薄膜的电学特性分析

3.5小结

参考文献

第四章SiO2包埋的ZnO纳米颗粒的结构和光学性质

4.1样品的制备和处理方法

4.2 SiO2包埋的ZnO纳米颗粒的结构分析

4.2.1 X射线衍射结果分析

4.2.2傅立叶变换红外吸收光谱分析

4.2.3拉曼光谱分析

4.3 SiO2包埋的ZnO纳米颗粒的光学性质分析

4.3.1透射与吸收光谱分析

4.3.2有效质量近似模型估算ZnO纳米颗粒的大小

4.3.3光致发光谱分析

4.3.4变温光致发光谱分析

4.4小结

参考文献

第五章MgO薄膜中的ZnO纳米颗粒的结构和光学性质

5.1 MgO包埋的ZnO纳米颗粒的制备

5.2 MgO包埋的ZnO纳米颗粒的形成和结构分析

5.2.1 XRD结果分析

5.2.2吸收光谱分析

5.2.3 ZnO纳米颗粒的形成和样品的结构变化

5.2.4 ZnO纳米颗粒的共振拉曼光谱分析

5.3 MgO包埋的ZnO纳米颗粒的发光性质研究

5.3.1室温光致发光谱分析

5.3.2变温光致发光谱分析

5.4小结

参考文献

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

作者简历

攻读博士学位期间的主要工作及结果

致谢

长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文原创性声明