静电增强超声雾化热解法制备zno薄膜的性能研究

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1、上海大学博士学位论文摘要使用静电增强超声雾化热解法制备了ZnO薄膜，用XRD、SEM、PL、RAMAN等手段研究了制备条件对ZnO薄膜形貌、内部缺陷的类型、发光性能、气敏性能的影响；研究了掺杂对ZnO薄膜光学性能、电学性能、气敏性能的影响；并以制备的ZnO薄膜为缓冲层，在Si衬底上生长ZnO纳米阵列和ZnO纳米结构，研究了ZnO纳米阵列在气体电离传感器上的应用。其主要研究结论如下：(1)采用静电增强超声雾化热解方法制备出高质量的ZnO薄膜，并对不同工艺条件下薄膜的结构、成分、形貌、沉积速率、光致发光进行分析，我们发现当前驱体的浓度在O．01～0．005M之间时，衬

2、底温度在400-500。C，当载气量为200--500sccm制备的薄膜的取向性较好，且薄膜平整致密。使用较高浓度前驱体制备的ZnO中，存在明显的蓝光发射峰和绿光发射峰；蓝光发射峰与锌间隙能级有关；绿光发射峰由V血的不同电离态引起；在600。C下氧气氛退火60min后蓝光发光峰和绿光发光峰消失了。(2)评价了不同衬底温度、不同载气条件下制备的ZnO薄膜的电学性能，在衬底温度为440℃制备出了霍尔迁移率为141cm2／Vs，电阻率为9．99f2cm‘1的p．型ZnO薄膜；使用XPS和低温PL分析了在440。C,I]备的P．型ZnO的成分及受主缺陷的类型，该薄膜中受主

3、能级位于价带上160meV和250meV处，并推测其与No和V历有关。研究了晶界对薄膜电学性能的影响，发现载气的类型影响薄膜的导电性能。使用SCM对氧气做载气制备的ZnO薄膜的载流子分布进行了表征。晶界上吸附的氧使得晶粒中的电子耗尽，造成晶粒中空穴的散射作用减弱和晶界附近空穴积累，是引起超高空穴迁移率的原因。(3)制备了Ag掺杂和N掺杂P．型ZnO薄膜，研究了它们的结构、光学性能、电学性能，摸索了最佳的掺杂量。研究了双受主共掺杂理论，揭示了Ag．N共掺杂在理论是可行的。使用共掺杂技术制备ZnO：(Ag，N)薄膜，并研究了该薄膜的结构和光学电学性能。XDR表明共掺杂

4、提高了晶体的质量，霍尔测量表明共掺杂制备的ZnO有较低的电阻和较高的霍尔迁移率；实验表明双受主共掺上海大学博士学位论文杂增强了N和Ag原子的稳定性，提高了掺杂浓度；我们还发现ZnO(Ag，N)与ZnO：Ag相比，薄膜的光学透过率明显提高，Ag．N共掺杂的ZnO电学和光学性能的稳定性较好。(4)使用化学气相传输法在蒸金的硅片生长了ZnO纳米线；通过分析生长不同阶段的SEM，明确了ZnO纳米线的生长遵循VLS机理。使用静电增强超声雾化法在Si上制备了ZnO缓冲层，并在该缓冲层上生长了ZnO纳米阵列。在Si上使用不同催化剂成功生长了ZnO纳米结构，实验发现Cu作催化剂在

5、Si衬底上得到楔状ZnO纳米片，该结构的ZnO纳米片沿【0110]方向生长，纳米片上下表面为+(0001)极性面；纳米片的生长遵循VLS机理，属于六角纤锌矿晶体结构，纳米片的位错和堆垛层错等晶格畸变较少；使用Zn催化在Si衬底上得到长达几百微米的ZnO纳米带。ZnO纳米带沿[0110]方向生长，属于六角纤锌矿晶体结构；纳米带的生长遵循VLS机理。比较了不同使用不同催化剂制备ZnO的PL。实验表明，在缓冲层上Au催化制备的ZnO纳米阵列具有较强的发光强度，Cu催化制备的ZnO楔状纳米片次之，Zn催化制备的ZnO纳米带最弱；这是由于使用不同的催化剂制备的ZnO纳米结构

6、中的缺陷数量和缺陷类型不同造成的。(5)研究了场致电离气敏传感器的工作原理。发现在电场限制区中，气体场致电离产生的电流强度与气体的特性密切相关，可以作为鉴别不同气体的特征。使用有限元软件模拟了纳米线顶端的场强分布，模拟的结果表明纳米ZnO的顶端电场增强因子的最大值约为187。使用不同取向的ZnO纳米棒制作了场致电离气体传感器，研究了不同形貌纳米线制备器件对丙酮的响应曲线，测试表明器件的响应曲线分为三个区，响应曲线与电场增强因子D密切相关。研究了器件对甲苯和丙酮的电离特性曲线。从气体放电电流和击穿电压来看，器件可以明显的区分甲苯和丙酮。测量了器件对NOx化合物的响应

7、，实验表明在较低的浓度下，NOx化合物的浓度电流响应值呈现近似的线性关系，器件的响应速度为17～40s，器件的灵敏度为0．0454-0．007ppm／pA。测量了器件对苯、异丙醇、乙醇、甲醇化合物的响应，实验表明器件对静态极化率较大，电离能低的气体有一定的选择性。(6)测试了不同衬底温度下制备的ZnO薄膜对N02气体的气敏性能；实Ⅱ上海大学博上学位论文验表明550℃制备的粉末状的ZnO薄膜对N02的敏感度较高，并表现出较好的响应．恢复特性；研究了致密的ZnO薄膜厚度对气敏性能的影响，实验表明薄膜对N02的敏感度随膜厚增加而减少；对于550℃制备的粉末状的ZnO薄膜

8、而言，对N