缓冲层、包覆层对提高ZnO纳米薄膜紫外发射性能的研究

摘要

ZnO是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，它具有良好的化学稳定性和热学稳定性。在室温下，它的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，如此高的激子束缚能使ZnO材料在室温甚至更高的温度下都具有很强的激子发射性能。因此，ZnO材料成为制造下一代短波长(尤其是紫外)发光器件如紫外发光二极管、紫外激光器等的理想选材之一。目前，尽管很多ZnO纳米结构材料已经被制备出来并被广泛地研究了，但ZnO薄膜仍是被研究得最广泛和最深入的ZnO材料。对于ZnO薄膜在紫外发光器件中的应用，如何提高它的紫外发射性能和采用何种技术方法来制备商业性使用的ZnO薄膜一直是广受人们关注的问题。正是在这样的背景下，我们开展了一些相关的研究工作。
　　 (1)研究了TiO2缓冲层与SiO2缓冲层对生长在Si衬底上的ZnO薄膜的结构与紫外发射性能的影响。众所周知，单晶Si是生长ZnO薄膜的主要衬底材料之一，但在单晶Si衬底上生长ZnO薄膜存在两个方面的问题：一方面是当在较高的温度下生长ZnO薄膜时或对生长在Si衬底上的ZnO薄膜在较高的温度下退火时，Si衬底表面的Si原子容易从ZnO薄膜中“掠取”氧原子，从而造成ZnO薄膜中出现很多氧空位缺陷；另一方面，ZnO薄膜与Si衬底之间存在较大的晶格失配与热失配。这些因素都会导致ZnO薄膜的结晶质量下降和紫外发射性能降低。本研究结果表明TiO2缓冲层与SiO2缓冲层可以有效地提高ZnO薄膜的结晶质量和增强ZnO薄膜的紫外发射性能，这主要归因于TiO2缓冲层与SiO2缓冲层解决了上述两个方面的问题。
　　 (2)研究了TiO2包覆层对ZnO薄膜的紫外发射性能的影响。采用电子束蒸发制备了TiO2纳米颗粒包覆的ZnO薄膜，利用TiO2纳米颗粒与ZnO薄膜之间的荧光共振能量转移效应，ZnO薄膜的紫外强度被大幅度地提高了。此外，研究结果也表明，适当的退火处理对于获得最佳的TiO2-ZnO薄膜的紫外发射性能很重要。
　　 (3)研究了膜厚对溶胶—凝胶法生长的ZnO薄膜的结构与光学性质的影响。实验结果表明，随着膜厚的增加，ZnO薄膜的结晶质量逐渐提高了，紫外发射性能逐渐增强了；ZnO晶粒的生长模式逐渐由纵向式生长向侧向式生长转变。
　　 (4)采用电子束蒸发和快速高温退火处理制备出了纳米锥ZnO薄膜并研究了它的光致发光行为的陈化效应。研究结果表明，对于非密封陈化的ZnO薄膜，随着陈化时间的延长，它的绿光发射强度逐渐减弱了，而紫外发射强度轻微地增加了。这个实验结果支持ZnO的绿光发射起源于氧空位缺陷。
　　 本文所进行的研究工作对于深入地了解ZnO薄膜的性质和开发ZnO薄膜基紫外发光器件具有重要的科学意义和应用参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2 ZnO的基本性质与形态结构

1.2.1 ZnO的基本性质

1.2.2 ZnO的形态结构

1.3 ZnO薄膜的性质和应用

1.4 ZnO薄膜的可见光发射机制

1.4.1 ZnO薄膜的绿光发射机制

1.4.2 ZnO薄膜的蓝光发射机制

1.4.3 ZnO薄膜的紫光发射机制

1.5 ZnO薄膜在紫外光电器件的应用中需要解决的问题

1.6提高ZnO薄膜紫外发射性能的几种方法

1.7本文主要研究内容

2 ZnO薄膜的制备方法与表征方法

2.1 ZnO薄膜的制备方法

2.1.1分子束外延法

2.1.2金属有机化学气相沉积法

2.1.3磁控溅射法

2.1.4电子束蒸发法

2.1.5溶胶—凝胶法

2.2 ZnO薄膜的表征方法

2.2.1 X射线衍射(XRD)

2.2.2原子力显微镜(AFM)

2.2.3激光拉曼散射谱

2.2.4透射和吸收谱

2.2.5光致发光谱

3缓冲层对ZnO薄膜的结构与紫外发射性能的影响

3.1 TiO2缓冲层对ZnO薄膜的结构与紫外发射性能的影响

3.1.1 TiO2缓冲层与ZnO薄膜的制备和表征方法

3.1.2 TiO2缓冲层对ZnO薄膜微结构的影响

3.1.3 TiO2缓冲层对ZnO薄膜紫外发射性能的影响

3.2 SiO2缓冲层对ZnO薄膜的结构与紫外发射性能的影响

3.2.1预退火处理温度与后退火处理温度的选取原则

3.2.2 SiO2缓冲层与ZnO薄膜的制备和ZnO薄膜的表征方法

3.2.3 SiO2缓冲层对ZnO薄膜微结构的影响

3.2.4 SiO2缓冲层对ZnO薄膜紫外发射性能的影响

3.3本章小结

4 TiO2包覆层对ZnO薄膜的结构与紫外发射性能的影响

4.1 TiO2纳米颗粒包覆对ZnO薄膜的影响

4.1.1 TiO2包覆层与ZnO薄膜的制备及表征方法

4.1.2 TiO2包覆层对ZnO薄膜结构的影响

4.1.3 TiO2包覆层对ZnO薄膜的紫外发射性能的影响

4.2退火温度对TiO2-ZnO薄膜的影响

4.2.1退火温度对TiO2-ZnO薄膜结构的影响

4.2.2退火温度对TiO2-ZnO薄膜紫外发射性能的影响

4.3本章小结

5膜厚对ZnO薄膜的结构与光学性质的影响

5.1 ZnO薄膜的制备与表征方法

5.2膜厚对ZnO薄膜微结构的影响

5.2.1 X射线衍射分析

5.2.2原子力显微镜分析

5.3高C轴取向ZnO薄膜的生长机制

5.3.1薄膜的三种生长模式

5.3.2溶胶—凝胶法生长C轴择优取向ZnO薄膜的机制

5.4膜厚对ZnO薄膜光学性质的影响

5.5本章小结

6纳米锥ZnO薄膜发光行为的陈化效应

6.1纳米锥ZnO薄膜的制备及其表征方法

6.2纳米锥ZnO薄膜的结构性质

6.3纳米锥ZnO薄膜的光致发光行为的陈化效应

6.4本章小结

7总结与展望

7.1本论文的研究内容与主要结论

7.2本论文的主要创新点

7.3工作展望

致 谢

参考文献

附 录