利用Cu、Co调节ZnAlO基透明导电薄膜光学与电学性能研究

摘要

ZnO是一种常见的半导体材料，可以较为容易的产生光致发光或者受激辐射，具有很好的应用前景，有着广泛的应用价值，ZnO单晶可以相对容易的生长，在可见光谱中具有较小的光灵敏度和高透明度以及和玻璃、塑料相兼容的温度，对环境的影响和毒性也低于其他大多数半导体，且成本低廉，使得ZnO作为透明导电薄膜具有很强的竞争力。通过在ZnO中掺杂可以有效调节ZnO的导电性能和光学性能，有利于薄膜的性能优化。
　　 本文采用激光脉冲沉积方法(Pulsed Laser Deposition PLD)制备掺杂ZnO薄膜，选取SiO2及Si作为样品的衬底。文章研究了不同元素及含量对ZnO薄膜的结构性能、光学性能及电学性能的影响及改性研究，主要研究内容如下：
　　 1、本文采用的掺杂手段为脉冲激光沉积法沉积扩散掺杂，掺杂样品均呈现出单一的(002)方向的衍射峰，具有良好的择优方向的生长，掺杂进入了ZnO薄膜的晶格，薄膜的纤锌矿的结构未发生改变。
　　 2、研究了Al掺杂含量对ZnO薄膜的影响。Al的掺入使得晶面间距差别较小，掺杂没有明显改变晶格结构。薄膜的透光性降低，薄膜带隙变宽。掺杂导致样品载流子浓度升高，但在Hall迁移率的共同作用之下，样品的电阻率略降低。
　　 3、我们在上述结论条件下继续深入研究了Co/Cu掺杂和ZAO薄膜的关系。样品薄膜均呈沿(002)方向择优生长。Co掺杂会影响样品的可见光的范围内光透过率，对ZAO薄膜的光学带隙变化影响较小。Cu掺杂对样品的光透过率影响较小，但会使样品的吸收边向低能量方向发生移动。Cu掺杂较Co掺杂对载流子浓度贡献大，我们认为这是由于在相同条件下Cu比Co更容易填充间隙并提供电子。掺杂样品的性能指数低于未掺杂样品，Cu掺杂相比Co掺杂性能指数优异。
　　 4、最后我们研究Co和Cu共掺ZAO薄膜。我们认为薄膜中存在着Vzn缺陷，Zni缺陷，单电离的Vzn-缺陷及一价的O空位。能带间隙因掺杂而被展宽，紫外发光增强，锌空位随掺杂数量增多。载流子浓度先增加而后减少。薄膜Hall迁移率与之相反，使得样品的电阻率未发生明显的变化。掺杂减弱了样品的室温铁磁性，正是由于Cu的加入占据了相邻阳离子的位置，使得阳离子之间的双交换作用被打断，减弱了样品的原有磁性。