Sol-gel法掺杂ZnO薄膜的制备及光电性能研究

摘要

ZnO是一种II-VI族化合物半导体材料，具有直接宽带隙（室温下3.37eV），属于六方纤锌矿结构，在光电、压电及磁电子等诸多领域都具有优异的性能。ZnO具有较高的激子束缚能（60meV），远高于其它的宽禁带半导体材料（如GaN为25meV），较低的电子诱生缺陷和阈值电压低等优点，使其在光电器件领域具有很大的研究价值。ZnO的激子在室温下也是稳定的，可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发光，并且具备了发射蓝光或者紫外光的优越条件，有望开发出紫光、绿光、蓝光等多种发光器件。此外，将ZnO掺入Cd2+、Mg2+等形成半导体合金薄膜，可以达到随掺杂组分不同调控合金薄膜禁带宽度的目的。
　　本文在总结了ZnO薄膜研究现状的基础上，采用溶胶-凝胶旋涂技术分别制备了掺杂Cd和掺杂Mg的ZnO合金薄膜。主要的研究工作和结果如下：
　　1.采用溶胶-凝胶法，制备了掺杂Cd（≤10at％）和掺杂Mg（≤15at%）的ZnO薄膜。通过 XRD、SEM、EDS等分析薄膜的组织结构、表面形貌和化学成分，研究结果发现：不同掺杂组分的ZnO薄膜均只有一个衍射峰(002)，表明制备出来的ZnO薄膜具有纤锌矿结构且呈c轴择优取向；当掺Cd浓度大于8at%，掺Mg浓度大于9at%时，薄膜(002)峰明显减弱。
　　2.使用双光束分光光度计测试薄膜在紫外-可见光范围内的透过率。结果表明，薄膜在可见光范围内，平均透过率在75％左右。随着Cd掺杂浓度的增加，ZnO薄膜吸收边逐渐向长波长方向移动，光学禁带宽度也逐渐减小到3.11eV；而掺Mg浓度增加时，薄膜的吸收边则发生蓝移，当Mg浓度为15at%时，薄膜光学禁带宽度约为3.45eV。
　　3.使用荧光分光光度计测试薄膜在室温下的光致发光谱。不同掺杂下ZnO薄膜的PL谱均有非常明显的紫外发射峰和蓝光发光带。随着掺Cd和掺Mg浓度的增加，薄膜的紫外峰位分别出现明显的红移和蓝移现象，这跟透射谱的结论一致，进一步说明掺杂使得ZnO薄膜光学带宽发生变化。
　　4.研究了掺Cd薄膜电阻率的变化。当掺杂浓度为8at%时，薄膜电阻率最小，为8.47kΩ·cm。对比不同退火温度发现，600℃退火的薄膜具有最佳导电性能。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 ZnO薄膜的基本性质

1.3 ZnO薄膜的制备方法

1.4 论文研究的目的和意义

第二章 溶胶-凝胶成膜理论和分析方法

2.1 溶胶-凝胶法概述

2.2 薄膜的分析方法及原理

第三章 溶胶-凝胶旋涂制备ZnO:Cd（Mg）薄膜

3.1 实验前的准备

3.2 薄膜的制备

3.3 薄膜的性能测试

第四章 ZnO薄膜的制备与结果分析

4.1 ZnO:Cd薄膜的制备与分析

4.2 ZnO:Mg薄膜的结构特性分析

4.3 本章小结

第五章 ZnO薄膜的光电性能的研究分析

5.1 ZnO薄膜的透射光谱

5.2 ZnO薄膜的光致发光（PL）测试

5.3 ZnO薄膜电学性能分析

5.4 ZnO薄膜光学带隙分析

第六章 结论

致谢

参考文献

学习期间研究成果