金属掺杂氧化锌薄膜的制备与特性研究

摘要

氧化锌是宽带隙n型半导体材料，具有高热稳定性和化学稳定性.氧化锌薄膜具有良好的导电能力，在可见光区具有高的透过率，这使其在光学和磁储存设备，发光二极管，太阳能电池（透明导电电极），传感器，表面声波器件和化学传感器等领域具有广泛应用.本文利用磁控溅射方法，通过改变沉积参数制备了ZnO薄膜和金属掺杂的ZnO薄膜.利用X射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)，能量色散X射线衍射光谱(EDX)，紫外-可见-近红外(UV-VIS-NIR)分光光度计，四探针电阻测试仪分别对薄膜的结构，表面形貌，成分，光学特性和电学特性进行了研究.
　　首先，利用射频磁控溅射方法在Si(100)衬底上制备了不同沉积参数下的ZnO薄膜，XRD图谱显示，所有ZnO薄膜结晶性良好，并沿(002)方向择优生长.从薄膜结晶性的角度考虑，得到最佳制备条件如下:溅射功率为100W，工作压强为1.2Pa，氩氧比为20∶1，衬底温度为400℃，沉积时间1.5h.用四探针法测得最佳条件下制备的ZnO薄膜电阻率为25.6Ω·cm.SEM测量表明，晶粒尺寸约为34.13nm，这与XRD计算的结果一致，通过AFM测量得到，最佳制备条件下制各的ZnO薄膜的表面粗糙度为21.9nm.通过UV-VIS-NIR分光光度计测得最佳制备条件下制备的ZnO薄膜的可见光区平均透过率为84.7％，平均反射率为25.7％.
　　其次，在最佳制备条件下，利用射频-直流磁控共溅射方法，通过改变掺杂靶材的溅射功率，制备了不同掺杂浓度的金属掺杂的ZnO薄膜，掺杂金属分别为钇(Y）、钒(V)以及铜锰合金(Cu-Mn).XRD图谱显示金属掺杂的氧化锌(M∶ZnO)薄膜只有ZnO的衍射峰，表明金属成功地掺入ZnO薄膜的晶格中.EDX图谱表明，随着掺杂功率的增加，ZnO薄膜的掺杂浓度逐渐增大.随着掺杂功率的增加，ZnO薄膜晶粒尺寸有所增大，结晶性增强，与未掺杂的ZnO薄膜相比，掺杂的ZnO薄膜粗糙度减小，但随着功率的增加，粗糙度有增大趋势.Y的掺杂使得ZnO薄膜在可见光区透过率比未掺杂氧化锌薄膜有所增加，平均透过率达到85.3％;对于V和Cu-Mn掺杂，随着掺杂功率的增加，ZnO薄膜在可见光区的透过率逐渐下降，Cu-Mn掺杂的薄膜透过率下降尤为显著.Y的掺杂使得ZnO薄膜在可见光区的平均反射率增大;V的掺杂使薄膜在可见光区的平均反射率维持在未掺杂薄膜的反射率上下，V掺杂功率60W时，反射率明显低于未掺杂样品;Cu-Mn掺杂使薄膜反射率降低，最大反射率不超过20％.四探针法测得ZnO薄膜的电阻率表明，Y，V和Cu-Mn掺杂都有利于改善薄膜的导电性，在最大掺杂功率处得到了最低的电阻率，分别为19.3，18.7，17.6Ω·cm.

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 氧化锌的基本性质

1．2 金属掺杂的氧化锌

1．3 氧化锌基薄膜的研究现状

1．4 研究目的及意义

1．5 本论文的研究内容

第二章 ZnO薄膜的制备与表征

2．1 ZnO薄膜的制备方法

2．2 ZnO薄膜的表征方法

2．2．2 紫外-可见-近红外(UV-VIS-NIR)分光光度计

2．2．3 扫描电子显微镜(SEM)与能量色散X射线光谱仪(EDX)

2．2．4 四探针电阻率测试仪

第三章 ZnO薄膜的制备及其特性研究

3．1 ZnO薄膜的制备

3．1．1 不同参数制备的ZnO薄膜的结构特性

3．1．2 不同参数制备的ZnO薄膜的电学特性

3．1．3 最佳条件下制备的ZnO薄膜的特性

第四章 金属掺杂ZnO薄膜的制备及其特性研究

4．1 Y：ZnO薄膜的制备及特性

4．1．1 Y：ZnO薄膜的制备

4．1．2 Y：ZnO薄膜的结构特性

4．1．3 Y：ZnO薄膜的表面形貌及元素组成

4．1．4 Y：ZnO薄膜的电学性质

4．1．5 Y：ZnO薄膜的光学性质

4．2 V：ZnO薄膜的制备及特性

4．2．1 V：ZnO薄膜的制备

4．2．2 V：ZnO薄膜的结构特性

4．2．3 V：ZnO薄膜的表面形貌及元素组成

4．2．4 V：ZnO薄膜的电学性质

4．2．4 V：ZnO薄膜的光学性质

4．3 Cu-Mn：ZnO薄膜的制备及特性

4．3．2 Cu-Mn：ZnO薄膜的结构特性

4．3．3 Cu-Mn：ZnO薄膜的表面形貌及元素组成

4．3．4 Cu-Mn：ZnO薄膜的电学性质

4．3．5 Cu-Mn：ZnO薄膜的光学性质

第五章 结论

参考文献

致谢

附录