zno薄膜的制备与性能研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1．绪言随着社会的进步，科技发展越来越迅速，人们的生活水平也越来越高，而这一切都离不开能源的支持，可以说能源是整个社会进步发展的源动力。人类社会已经经历了薪柴时期、煤炭时期以及石油时期，人们的生产生活水平也随着上了一个又一个台阶。世界各国的经济发展规律表明，在正常发展情况下，一个国家的国民生产总值与能源消耗总量是存在着一定的正比关系。在目前情况看来，常规能源的总量是有限的，但人们对国民生产总值的追求是无限的，为了用有限的能源来追求更高的国民生产总值，一方面要尽量提高现有能源的利用效率，另一方面也要加快对清洁的可再生的新能源的开发。现在太阳能、风能

2、、生物质能、地热能、海洋能等都引起人们很大的研究兴趣，其中太阳能电池作为直接把太阳能转换成电能的器件，由于能源来源分布范围广、成本低、无毒等优点成为世界的研究热点。由于社会进步的速度过快，对能源消耗过大，加上对环境问题的忽视，导致全球环境恶化，各种各样的环境问题层出不穷，如空气污染加重、温室气体导致的全球气候变暖，大面积出现酸雨、土地退化加剧、森林面积锐减、水资源紧缺、臭氧层空洞加大以及生物多样化受到威胁等。经济发展到今天，人们更加注重对生活品质的追求，对可持续发展的呼声越来越高，现在可持续发展已成为我国科学发展观的基本要求。因此，在追求社会经济快速发展的同时也要重视对

3、环境的保护，合理处理现在已经产生的环境问题并对环境进行实时监测，预防可能会出现的环境问题，保证能源、经济和环境三者协调统一发展。氧化锌（ZnO）原材料丰富，存储量大，无毒，价格低廉，制备工艺多样，应用广泛。在能源问题上，一方面，高质量的ZnO薄膜可以作为透明导电氧化物薄膜应用在柔性薄膜太阳电池上，因为ZnO薄膜不仅具有很高的光透过性还可以在制备过程中通过其他元素的掺杂来提高薄膜的电导率。另一方面，ZnO薄膜由于具有很好的气敏性，可以用来做成气体传感器件，检测环境中某种气体或多种气体的含量变化，实现对大气的实时监控。因此，对ZnO薄膜的制备与性能的研究非常有意义，也非常必

4、要。1万方数据华中科技大学硕士学位论文1.1ZnO的晶体结构氧化锌是一种直接帯隙的宽禁带化合物半导体，是继以Si、Ge为代表的第一代半导体，和第二代半导体GaAs、GaP、InP、InAs、AlAs等之后出现的第三代半导体的典型代表。第三代半导体材料有明显更适用于现代大规模集成电路和微电子器件的特点，如更高的电子饱和漂移速度、更高的热导率、更大的临界击穿电压以及更小的介电常数等，能满足对高温、高频、大功率以及抗辐射等多方面的要求，在电子、通信、[1-4]光电器件、航空航天和国防等很多行业都有着非常广阔的应用前景。上世纪90年代以前，ZnO已经在阴极射线荧光粉方面有了应用

5、，也有人发现在低温条件下利用电子束泵浦可以使ZnO材料获得紫外受激发射，由于薄膜制备技术以及掺杂技术的限制，[5-7]制备出的薄膜缺陷很多，发光效率很低。到了1997年，日本科学家与香港科学家在合作过程中发现，利用分子束外延生长工艺制备出蜂窝状结构的ZnO薄膜，能在室[8-9]温下观察到近紫外受激发光，ZnO成为光电材料的新的研究热点。随后，ZnO的[10-12]光电性、压电性、压敏性以及气敏性等一系列特性都引起了人们很大的研究兴趣。ZnO是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，由于氧空位和锌间隙的影响，本征ZnO为N型半导体。ZnO的晶体结构有三种：六方对称的六角纤锌矿结构（Wurz

6、ite）、四方对称的立方闪锌矿（Zinc-blende）和立方体结构的四方岩盐结构，晶胞结构示意图如图1.1。(a)六角纤锌矿结构(b)立方闪锌矿结构(c)立方岩盐结构图1.1ZnO的三种晶体结构示意图其中，立方闪锌矿结构的ZnO的晶格能量比较高，是一种亚稳态结构，一般要在[13]立方结构的衬底上才能制备；立方岩盐结构即NaCl结构的ZnO一般是在高压条件2万方数据华中科技大学硕士学位论文下获得的，最邻近原子数由六角纤锌矿结构的4个增加到立方岩盐结构的6个，相应[14]地晶胞体积减少了约17%；六角纤锌矿的ZnO是三种结构中最稳定也是最常见的晶体结构。六角纤锌矿结构的Z

7、nO是六方晶系，它是由锌原子和氧原子分别组成六方排列，然后在（0001）方向上，Zn原子和O原子规则的按照ABABAB„„顺序堆积起来的，这样一来，在立体结构上看每个Zn原子与邻近的三个Zn原子形成一个四面体，[15]中间包围着一个O原子，而每个Zn原子也处在四个O原子形成的四面体的中间。在Zn-O四面体结构中，沿（0001）方向的Zn原子与O原子的间距约0.196nm，而其他方向上的Zn原子与O原子的距离均约0.198nm，这导致Zn原子在C轴方向上的分布不对称，当其分布偏向于从O晶面指向Zn晶面时为Zn极化面，当其分布偏向于从Zn晶面