超声雾化热解法制备ZnO薄膜结构及其性能研究

摘要

氧化锌是一种多用途的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料.传统上,ZnO薄膜被广泛应用于太阳能电池、声表面波器件、压敏器件、透明导电电极等领域.近年来,ZnO作为宽禁带半导体材料的研究越来越受到人们的重视.和GaN相比,ZnO薄膜具有生长温度低,激子复合能高(ZnO:60meV, GaN:21~25meV),有可能实现室温下较强的紫外受激发射,制备出性能较好的探测器、发光二极管和激光二极管等光电子器件.ZnO的辐射波长具有比GaN的蓝光发射更短,对增加光记录密度具有重要意义.目前,有关氧化锌的研究集中在氧化锌的紫外光发射和可见光发光机制方面.对于可见光发光机制目前尚无统一认识.该文综述了ZnO薄膜的各种生长技术及其原理,并概括了ZnO薄膜研究的最新进展.利用自制的超声雾化热解沉积技术生长了具有C轴择优取向的多晶ZnO薄膜,并利用X射线衍射仪(ⅪD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见光光谱仪(UV-Vis absorption Spectrometer)、荧光光谱仪(PLSpectrometer)等测试手段,对ZnO薄膜的结构和性能进行表征.研究了各生长条件,如前驱物溶液浓度、衬底温度、沉积时间、退火处理和掺杂浓度对ZnO薄膜结构和性能的影响.实验结果表明,前驱物浓度增加有利于制备C轴取向生长的ZnO薄膜;400℃时,沉积出高质量C轴择优取向的ZnO薄膜,在氧气气氛下退火温度为600℃时,得到的薄膜结晶性较好;而且,掺杂浓度增加不利于ZnO薄膜的取向生长.受激发射光致发光结果表明,样品在600℃退火时390nm紫外发射最强,同时观察到强度较弱的可见光发光带.实验还发现,退火气氛可明显改变ZnO的本征和缺陷发光,可见发光机制探讨中,蓝绿发光的主要是由氧空位或锌填隙等缺陷引起的.

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1信息时代的需求

1.1.2 ZnO薄膜的基本物性

1.1.3 ZnO薄膜的应用

1.1.4 ZnO薄膜的制备方法

1.2研究目的

1.3本文的研究内容

第2章超声雾化热解装置的设计及原理

2.1引言

2.2超声雾化热解技术的简介

2.2.1超声雾化热解技术的发展史

2.2.2超声雾化热解技术沉积ZnO薄膜的研究现状

2.3超声雾化热解技术机理

2.3.1超声雾化机理

2.3.2热解沉积机理

2.3.3超声雾化热解沉积系统

2.3.4雾化热解沉积制备ZnO薄膜的反应机制

2.4实验操作步骤

2.4.1衬底的清洗

2.4.2样品的制备

2.5表征手段

2.5.1膜厚的测定

2.5.2成分分析测试

2.5.3结构和形貌测试

2.5.4紫外-可见分光光度计测试(UVPC)

2.5.5光致荧光测试(PL)

2.6本章小结

第3章工艺参数对ZnO薄膜结构和形貌的影响

3.1引言

3.2前驱物溶液浓度对ZnO薄膜的结构和沉积速率的影响

3.2载气流量对ZnO薄膜的结构和沉积速率的影响

3.2.1 ZnO的结晶状况

3.2.2载气流量对ZnO薄膜沉积速率的影响

3.2.3 ZnO薄膜表面形貌分析

3.3衬底温度对ZnO薄膜的结构和沉积速率的影响

3.3.1衬底温度对ZnO薄膜的结构的影响

3.3.2衬底温度对ZnO薄膜沉积速率的影响

3.4沉积时间对ZnO薄膜结构的影响

3.5退火温度对ZnO薄膜的结构的影响

3.6稀土掺杂对ZnO薄膜的结构的影响

3.6.1样品的制备

3.6.2 Eu3+掺杂浓度对ZnO薄膜结构的影响

3.6.3沉积温度对ZnO：Eu3+薄膜的结构的影响

3.6.4 ZnO：Eu薄膜的表面形貌

3.6.5 ZnO：Eu薄膜的RBS分析

3.7本章小结

第4章ZnO薄膜光学吸收和发光特性的研究

4.1引言

4.2 ZnO薄膜的紫外透射光谱

4.2.1衬底温度对ZnO薄膜的紫外透射光谱的吸收截止边带的影响

4.2.2退火温度对ZnO薄膜的紫外透射光谱的吸收截止边带的影响

4.2.3掺杂浓度对ZnO：Eu薄膜紫外透射光谱吸收截止边带的影响

4.3 ZnO薄膜的发光光谱

4.3.1沉积温度对ZnO薄膜发光特性的影响

4.3.2掺杂浓度对ZnO薄膜发光特性的影响

4.3.3退火温度对ZnO薄膜发光特性的影响

4.3.4不同还原气氛下退火对ZnO薄膜本征和缺陷PL谱的影响

4.3.5不同退火气氛下ZnO薄膜的发光特性比较

4.4本章小结

结论

参考文献

致谢