掺mg纳米zno薄膜的制备及其光学性质研究

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1、掺Mg纳米ZnO薄膜的制备及其光学性质研究杨洋李峰摘要：本文采用溶胶-凝胶法以石英为衬底制备了纯纳米ZnO薄膜和Zn0.95Mg0.05O薄膜，所有样品在400℃下退火一个小时。用XRD和CSPM4000扫描探针显微镜测试薄膜晶化质量和表面微结构，用透射谱和吸光谱来研究纳米薄膜的透射和吸收性质，并观察到了吸收边和吸收峰的蓝移。光致发光测试结果发现在红光区存在双峰发射，这是以前所没有报道过的，我们对红光发射给出了解释。关键词：纳米ZnO薄膜Mg掺杂透射谱吸收谱Abstract:ThispaperdiscussesqualitiesofPureandMgdopedZnOth

2、infilmswhicharemadewithSol-gelmethod,allofthesamplesareannealedat400°Cinanhour.Anx-raydiffractometer(XRD)andscanningprobemicroscopy(CSPM4000)wasusedtoinvestigatethestructuralpropertiesandgrainqualityofthethinfilms.Furthermore,Transmissionandabsorptionpropertieswerestudied.Photoluminescen

3、cetestresultsfoundtherearebimodallaunchinredlightareas,whichisnotreportedinthepast,wegiveanexplanationtothisintheend.Keywords:MgdopedZnOthinfilmsMgdopedTransmissionandabsorptionspectra1引言随着信息时代的到来，社会对具有优良性能的光电功能材料的需求日益强烈。GaN是目前已得到广泛应用的光电功能材料之一，具有优良的光电特性；然而它也有一些不足之处，例如，GaN基的器件由于原材料昂贵导致成本较

4、高，再者GaN的制备需要很高的生长温度且GaN的腐蚀工艺也比较困难和复杂，这些都限制了GaN更为广泛的应用。自从1997年Bagnall[1]和1998年Tang[2]等人发现ZnO薄膜的受激紫外发射以来，ZnO迅速引起了人们的广泛关注，目前仍是半导体材料领域研究的热点。ZnO为Ⅱ-Ⅵ族化合物，是一种宽禁带直接带隙半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37eV。其禁带宽度对应于紫外光的波长，有望用来开发蓝光、蓝绿光、紫外光等多种发光器件。ZnO为六角纤锌矿结构，晶格常数a=0.3249nm,c=0.5205nm[3]，其激子束缚能高达60meV，远大于GaN的25meV，Z

5、nSe的22meV和ZnS的40meV，且激子不易发生热离化，因此，ZnO是一种在室温及更高温度下具有很大应用潜力的短波长发光材料。ZnO薄膜是一种透明的导电薄膜，在可见光区其透过率可以达到80%以上。通过适当的掺杂，ZnO薄膜的电阻率可以降到10-4cm，这些性能使得ZnO薄膜成为一种重要的电极材料，它可以作为液晶元件的电极、太阳能电池的电极和窗口材料[4]等。由于ZnO薄膜在紫外区呈强吸收特性而在可见光区呈高透射特性，这就使得ZnO薄膜能被用来制作紫外光电探测器[5]和紫外传感器[6]。生长良好的纯ZnO薄膜或适当掺杂的N型ZnO薄膜都具有较高的载流子浓度和霍尔迁移

6、率以及较低的电阻率，因此可以用ZnO薄膜来制作场效应晶体管[7]。ZnO薄膜的电阻率会随着表面吸附气体的种类的不同而变化，是一种气敏材料，可以被用来制作多种气体传感器[8]。实验表明，C轴取向良好的ZnO薄膜具有较好的压电性能和机电耦合系数，可以用来制作压电换能器和表面声波器件[9]。除了上面提到的ZnO薄膜的应用之外，它在其它一些领域也有重要的应用前景，比如发光二极管[10，11]、平面显示、电磁屏蔽等。目前，制备ZnO薄膜的技术有多种，溶胶-凝胶法是其一。由于溶胶-凝胶法设备简单，成本低，成膜面积大，颗粒度均匀，易实现掺杂等优点而深受研究者青睐。对于用溶胶-凝胶法研

7、究掺Mg的ZnO薄膜的报道尚少见。本文用溶胶凝胶法,制备了纯ZnO和掺杂5%Mg的纳米ZnO薄膜，研究了Mg掺杂对纳米ZnO薄膜的微结构及光学性质的影响。2实验先清洗各种实验的仪器，校准电子天平，用超声振荡清洗衬底。然后用电子称量取3.0g无水醋酸锌，放入500ml的烧杯中。向烧杯中放入150ml的无水乙醇。再用小量筒量取0.9ml的乙醇胺放进烧杯中。然后量取1.0ml的乙二醇放入烧杯中。将烧杯置于热水中进行水浴，并同时充分搅拌混合物，直到形成无色透明的溶胶溶液。将溶液静置图1ZnO薄膜的制备过程四个小时。涂膜前补充蒸发的无水乙醇至150