溶胶-凝胶法制备掺钇氧化锌薄膜及其性能研究

摘要

ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料，不仅光电性能优异、化学稳定性好、热稳定性高，且易于掺杂形成性能更为优异的材料，因而在太阳能电池、液晶显示器、短波长发光器件等领域具有广阔的应用前景。 Zn0薄膜的制备技术有多种，相比较而言，溶胶.凝胶(sol-gel)法具有成膜均匀性好、与衬底附着力强、易于原子级掺杂及工艺简单等优点。本论文采用溶胶-凝胶法，用旋转涂覆技术在玻璃基底上进行了掺钇氧化锌(YZO)薄膜的制备、掺杂等相关内容研究。主要研究了陈化时间、掺杂浓度、预处理温度、退火温度以及镀膜层数对薄膜的结晶状况、表面形貌、电阻率和透光率等的影响，探讨了溶胶.凝胶法制备YZO薄膜过程中，YZO薄膜的晶体结构与透射率、禁带宽度及导电性能之间的关系。研究结果如下： (1)差热分析结果表明钇掺杂对ZnO薄膜的形成过程没有影响，且不存在与钇元素相关的相变，即掺入的钇大部分进入晶格。 (2)晶体结构分析表明：所制备的YZO薄膜呈六角纤锌矿结构，且表现出(002)晶面的取向性生长。其中YZO薄膜最佳的制备条件是：Y掺杂浓度为0.5at％、陈化时间为72h、预处理温度为300℃、退火温度为500℃、涂覆5层，其(002)晶面的衍射峰最强、半高宽最小，即结晶性和c轴择优取向性最好。而Y掺杂浓度的增加将使得晶粒粒径减小，薄膜的结晶性能下降。 (3) AFM分析表明YZO薄膜表面均匀致密，陈化时间的延长有利于薄膜的取向生长，同时粗糙度增大。 (4)透射光谱表明：所制备的YZO薄膜在可见光波段的透射率均超过85％，由最佳条件制备的薄膜其透光率最高，达到90％，这与XRD结果相一致，说明结构与性能之间存在对应关系。 (5)从YZO薄膜(αhv)2～hv的曲线看各种参数对薄膜的光学禁带宽度都有影响，其中掺杂浓度对禁带宽度的影响最大，其次是退火温度、镀膜层数。 (6)电阻率测试结果显示随着掺杂浓度的增加，薄膜电阻率先减小后增大，掺杂浓度为1at％的薄膜其电阻率最低，为3.37×102Ω.cm。

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第1章 引言

1.1 ZnO的结构、性质及应用

1.1.1 ZnO的结构

1.1.2氧化锌薄膜的性质及应用

1.2 ZnO薄膜的掺杂概况

1.2.1 ZnO薄膜的n型掺杂

1.2.2 ZnO薄膜的p型掺杂

1.2.3 ZnO薄膜带隙调整掺杂

1.3 ZnO薄膜的制备方法

1.3.1溅身

1.3.2脉冲激光沉积

1.3.3化学气相沉积法

1.3.4喷雾热分解法

1.3.5溶胶-凝胶法(sol-gel)

1.4本课题的研究目的和内容

第2章 YZO薄膜的溶胶-凝胶旋涂法制备及表征

2.1试剂及仪器设备

2.1.1试剂

2.1.2实验器材和设备

2.2薄膜的制备过程

2.2.1溶胶的配置

2.2.2衬底的选择原则和清洗

2.2.3甩膜

2.2.4预热处理

2.2.5退火

2.3薄膜的表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)

2.3.2原子力显微镜(AFM)

2.3.3同步热分析仪

2.3.4 nkd薄膜分析系统

2.3.5测量电阻率的四探针法

2.3.6测量薄膜厚度的台阶仪法

第3章 YZO薄膜的结构分析和形貌观察

3.1未掺杂和掺杂溶胶的TG-DTA分析

3.2YZO薄膜的晶体结构

3.2.1陈化时间对YZO薄膜晶体结构和形貌的影响

3.2.2掺杂浓度对YZO薄膜晶体结构的影响

3.2.3预处理温度对YZO薄膜晶体结构的影响

3.2.4退火温度对YZO薄膜晶体结构的影响

3.2.5层数对YZO薄膜晶体结构的影响

第4章YZO薄膜的性能研究

4.1.YZO薄膜的光学性能

4.1.1陈化时间对YZO薄膜光学性能的影响

4.1.2掺杂浓度对YZO薄膜光学性能的影响

4.1.3预处理温度对YZO薄膜光学性能的影响

4.1.4退火温度对YZO薄膜光学性能的影响

4.1.5层数对YZO薄膜光学性能的影响

4.2 YZO薄膜的电性能

第5章总结

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况