超声喷雾热解法制备ZnO:Al薄膜及表征

摘要

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，属于六方纤锌矿结构。由于(002)晶面的表面自由能最低，所以晶体具有C轴择优取向的特性。作为直接带隙宽禁带半导体材料，ZnO在光电器件领域具有很大的潜力。掺杂Al、In、Ga等ⅢA族元素原子的ZnO透明导电膜作为一种重要的光电信息材料得到了广泛的研究。本文主要研究超声喷雾热解法制备Al掺杂的ZnO薄膜(ZnO：Al或AZO)的结构和光学性质。AZO薄膜对环境无毒、无污染、稳定性高、易于加工、对微波具有衰减性，而且又具有比ITO薄膜更加突出的光学及电学特性，是具有研究价值的新一代透明导电材料，在未来的科技发展中将成为ITO薄膜最佳的替代者，推动廉价透明导电薄膜的发展。
　　 在论文的第一部分，介绍了纳米材料中ZnO材料的基本性质、特性，掺杂及其在各方面的应用情况。
　　 在论文的第二部分，主要介绍了ZnO薄膜常用的几种制备方法及表征方法。
　　 在论文的第三部分，首先介绍了超声喷雾热解技术的原理，特点及其参数对制备薄膜性能的影响。运用超声喷雾热解法制备了Al掺杂ZnO(AZO)薄膜。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)、紫外-可见光(UV-V)分光光谱仪等对制备AZO薄膜进行了表征和性能分析。
　　 实验结果表明，利用超声喷雾热解法制得的AZO薄膜晶体结构和光学特性较好。XRD分析表明，该方法制备的AZO薄膜具有明显的C轴择优取向；UV-V分析表明：AZO薄膜的可见光透射率平均值在80％左右；PL分析表明：AZO薄膜具有很强的近带紫外发光峰。
　　 在论文的第四部分，讨论了超声喷雾热解法制备AZO中，衬底温度和铝掺杂量对薄膜结构和光学性能的影响：衬底温度对AZO薄膜的结晶取向和光学性能有较大的影响；铝掺杂量对薄膜的结晶取向：有较大影响。随着溶液中Al掺杂量的增加，薄膜的透光率呈现先增加后降低的趋势，变化并不大。但Al的掺入导致薄膜的吸收边先向短波长后向长波长方向移动。

目录

文摘

英文文摘

引言

1 氧化锌的性质及应用

1.1 氧化锌的基本性质

1.2 氧化锌的特性及应用

1.2.1 压电特性

1.2.2 光电特性

1.2.3 气敏特性

1.3 ZnO薄膜的掺杂

1.3.1 ZnO的本征缺陷

1.3.2 ZnO的n型掺杂

1.3.3.ZnO的p型掺杂

1.4 本课题研究的意义和内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 本课题研究的内容

2 氧化锌纳米结构的制备方法及表征

2.1 ZnO薄膜的制备方法

2.1.1 化学气相沉积法(CVD)

2.1.2 分子束外延(MBE)

2.1.3 脉冲激光沉积法(PLD)

2.1.4 溅射法

2.1.5 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

2.1.6 超声喷雾热解法(USP)

2.2 相关的表征方法

2.2.1 X射线衍射分析(XRD)

2.2.2 扫描电子镜(SEM)

2.2.3 光致发光分析(PL)

2.2.4 紫外-可见光光度计

2.3 小结

3 超声喷雾热解法原理及ZnO：Al薄膜的制备、表征

3.1 引言

3.2 薄膜的形成机理

3.2.1 岛状模式

3.2.2 单层模式

3.2.3 层岛复合模式

3.3 超声喷雾热解技术原理

3.3.1 超声雾化机理

3.3.2 超声喷雾热解制备薄膜的沉积原理

3.4 超声喷雾热解技术的优点

3.5 实验参数对薄膜性能的影响

3.5.1 前驱体溶液的影响

3.5.2 衬底的影响

3.5.3 喷嘴与衬底间距的影响

3.5.4 喷涂时间和喷涂速度的影响

3.5.5 载气流量的影响

3.6 超声喷雾热解法制备ZnO：Al薄膜及表征

3.6.1 ZnO：Al薄膜的制备过程

3.7 铝原子掺杂氧化锌薄膜性能表征及分析

3.7.1 薄膜的XRD分析

3.7.2 薄膜的光致发光谱分析

3.7.3 紫外可见光吸收图谱分析

3.8 本章小结

4 实验参数对ZnO：Al薄膜的性能影响

4.1 衬底温度对薄膜性能的影响

4.1.1 衬底温度对薄膜结构的影响

4.1.2 衬底温度对薄膜形貌的影响

4.1.3 衬底温度对薄膜光学性能的影响

4.2 铝掺杂量对薄膜性能的影响

4.2.1 铝掺杂量对薄膜结构的影响

4.2.2 铝掺杂量对薄膜形貌的影响

4.2.3 铝掺杂量对薄膜光学性能的影响

4.3 本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢