溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜及其发光特性研究

摘要

本文采用溶胶-凝胶法旋转涂覆工艺这种简单的制膜方法，在Si(111)和载玻片衬底上制备了ZnO、AZO及MgxZn1-xO薄膜。研究了溶胶体系、各种热处理条件、不同掺杂浓度及激发波长对薄膜结晶质量、发光特性方面的影响，重点探索了在本实验条件下获得高度c轴择优取向性、发光性能较好的ZnO薄膜的制备工艺。实验结合X射线衍射谱对薄膜的生长工艺进行了优化：在Si(111)衬底上，前驱体浓度0.35mol/l、陈化时间96h，预热处理温度250℃、退火温度700℃、退火时的保温时间为2h的条件下，制得了高度c轴择优取向的ZnO薄膜，其半高宽仅为0.36°。原子力显微镜(AFM)分析表明ZnO薄膜具有尺寸均匀的六角形晶粒形貌。透射光谱结果显示载玻片上生长的ZnO薄膜在可见光波段的透射率达到77～87％，薄膜的禁带宽度与ZnO体材料禁带宽度基本相等。采用荧光分光光度计在室温下对ZnO薄膜及掺杂薄膜进行了光致发光测试，在激发光源波长为248nm的条件下均观察到了波长为395nm左右的紫外光发射和较弱的蓝绿光发射。AZO薄膜的紫外峰与ZnO薄膜相比峰位没有变化；MgxZn1-xO薄膜中紫外发光峰向短波长方向移动。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 ZnO的结构特性

1.4 ZnO薄膜的性质

1.4.1 ZnO薄膜的光电特性

1.4.2 ZnO的气敏特性

1.4.3 ZnO薄膜的压电特性

1.4.4 ZnO的压敏特性

1.4.5 ZnO薄膜的磁学特性

1.5 ZnO薄膜的制备方法

1.5.1溅射法

1.5.2喷雾热分解法

1.5.3分子束外延

1.5.4脉冲激光沉积

1.5.5金属有机物化学气相沉积

1.5.6原子层外延

1.5.7溶胶-凝胶法

1.6本文的主要研究工作

第二章溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜的机理及薄膜发光机制

2.1溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜的机理

2.1.1溶胶-凝胶法的特点

2.1.2溶胶-凝胶法制备薄膜的机理

2.1.3 ZnO薄膜的形成机理

2.1.4 ZnO凝胶的热分析

2.2 ZnO薄膜的发光机制

2.2.1 ZnO的谐振腔结构

2.2.2 ZnO晶体的本征点缺陷

2.2.3薄膜的发光机制

第三章薄膜制备工艺的设计

3.1溶胶体系的筛选

3.2实验设备

3.3样品制备过程

3.3.1主要原料

3.3.2溶胶的配制

3.3.3衬底的清洗

3.3.4甩膜

3.3.5预热处理

3.3.6退火

3.4性能测试

3.4.1薄膜的晶体结构测试

3.4.2薄膜的形貌观测

3.4.3薄膜的厚度测试

3.4.4薄膜的透射性能测试

3.4.5薄膜的光致发光测试

第四章薄膜的结构特征分析

4.1 ZnO粉体的结构

4.2溶胶体系对ZnO薄膜结构的影响

4.2.1前驱体浓度对ZnO薄膜结构的影响

4.2.2陈化时间对ZnO薄膜结构的影响

4.3硅衬底上ZnO薄膜的结构分析

4.3.1预热处理温度对ZnO薄膜结构的影响

4.3.2退火温度对ZnO薄膜结构的影响

4.3.3退火时的保温时间对ZnO薄膜结构的影响

4.4载玻片衬底上ZnO薄膜的结构分析

4.5影响ZnO薄膜结构的其他因素

4.6 AZO及MgxZn1-xO薄膜的结构分析

4.6.1掺A1量对AZO薄膜结构的影响

4.6.2掺Mg量对MgxZn1-xO薄膜结构的影响

4.7 ZnO薄膜的形貌表征

4.8本章小结

第五章薄膜的光学性能分析

5.1薄膜的光致发光特性

5.1.1硅衬底上退火工艺对ZnO薄膜发光的影响

5.1.2载玻片衬底上退火温度对ZnO薄膜发光的影响

5.1.3掺铝量对AZO薄膜发光的影响

5.1.4掺Mg量对MgxZnOI-xO薄膜发光的影响

5.1.5激发波长对ZnO薄膜发光的影响

5.2紫外-可见光透射谱

5.3本章小结

第六章结论

6.1工作总结

6.2存在的问题及以后的研究方向

参考文献

在读期间发表的论文

致谢