ZnO薄膜的制备及发光特性的研究

《ZnO薄膜的制备及发光特性的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、山东大学博士学位论文ZnO薄膜的制备及发光特性的研究姓名：王卿璞申请学位级别：博士专业：凝聚态物理指导教师：张德恒20030426山东大学博士学位论文中文摘要ZnO是一种宽禁带半导体材料，为六方晶体(纤锌矿)结构，与GaN的晶格结构相同，晶格常数(a轴)相差不大，热膨胀系数(垂直于c轴方向)十分接近。室温下Zn0的禁带宽度为3．37eV左右，具有60meV的激子束缚能，从而大大提高了ZnO材料的激发发射机制，降低了ZnO的激射阈值，其光泵浦紫外激光的获得使ZnO成为热门的新型光电材料。再加上ZnO

2、薄膜制备简单，成本低，它可能成为继GaN之后的又一理想的光电材料。本文回顾了近年来ZnO薄膜自发辐射和受激辐射的研究进展，分析了不同波长发光的发光机制，报道了我们用射频磁控溅射法制备ZnO薄膜的制各方法、发光特性、发光机理以及制备条件、衬底种类和激发波长等因素对薄膜发光特性的影响。第一章介绍了ZnO薄膜的主要应用、基本性质、制各方法、发光特性和发光机制，论述了研究课题的选题动机。在第二章中，介绍了本试验中所用射频溅射系统，阐述了溅射原理及其各部分组成。详细介绍了研究ZnO薄膜的测试方法及其仪器设备

3、的型号和原理。薄膜的结构特性使用日本产D／MAX．RA型x射线衍射仪(CuKa辐射波长1．54178A)来测试的，薄膜的形貌结构是用美国产NanoscopeIIIA-MultimodeAFM来观察的，薄膜的发光特性是用EdinburghAnalyticalInstrumentsF900型可见一紫外分光光度计测试的，它用Xe灯作为激发光源，其分辨率为0．Irma，氙灯的功率为450W，它有连续和脉冲两种模式。在连续状态下可以产生从190nm-2600nm的连续波长，利用设计好的高质量光栅单色仪M30

4、0来调节控制激发光的波长。第三章介绍了ZnO薄膜的制备过程和制备条件对发光特性的影响。在ZnO薄膜制各过程中，选用纯度为99．99％的ZnO陶瓷靶为源材料，选用蓝宝石(A1203)、石英(Si02)、硅(so和7059玻璃四种不同衬底制各出具有较强紫外发光性能的ZnO薄膜。射频溅射淀积的ZaO薄膜为六方晶的纤锌矿多晶结构，且具有(002)方向的择优取向。衬底温度对氧化锌薄膜的性质有着很大的影响。随着衬底温度的升高，薄膜山东大学博士学位论文表面的粗造度增加。衬底温度在R卜2500c范围内，薄膜的x射

5、线衍射谱半高宽从0．50减d,N0．36。。这表明随着衬底温度的提高，结晶质量得以改善，薄膜的晶粒变大。制各的样品在可见光范围内的平均透过率都超过了85％。在波长为270rim的光激发下出现的356nm单色紫外发光峰，其强度随着衬底温度的升高而增强。这是由于较高的衬底温度生长的薄膜结晶质量高，其中的非辐射复合中心减少，带间的辐射复合增强。溅射功率对ZnO薄膜的结构和光学性质有很大的影响。在氧气和氩气气压分别为1．0Pa，衬底温度为室温，溅射时间为25分钟的条件下，分别用不同功率(100W，150W

6、，200W和300W)溅射薄膜时，其生长速率随着溅射功率的增加而变大。呈线性上升关系。随着溅射功率的增加，薄膜XRD择优取向(002)峰的强度增强，半高宽度减小。薄膜的光学带隙rider)随溅射功率的增加而减小。其紫外光发射强度也随衬底温度的升高而变强。在溅射功率为200W时，制备的ZnO薄膜其紫外光发射最强。氧分压不同，制备出ZnO薄膜的发光特性不同。随着氧分压的增加，ZnO薄膜的化学配比接近于理想配比1：1，氧空位的数量随之减少。ZnO薄膜的结晶质量提高，与氧空位有关的各种发光强度也随之减弱，

7、其导带到价带之间电子跃迁的紫外光发射增强。用200W功率，1．0Pa氩分压，溅射时间25分钟，’在氧分压为3．0Pa时，制备出的ZnO薄膜其紫外光发射强度与氧空位的缺陷发光强度相比最大。衬底与靶之间的距离大小不仅影响薄膜的淀积速率，而且还影响薄膜的生长质量。在其它淀积条件不变的情况下，在4．5～8era的范围内改变靶到衬底之间的距离，可得到质量不同的ZnO薄膜。当靶距为5．5era左右时薄膜淀积速率最大，随着靶距的再增大，薄膜的淀积速率随之减小。在靶距为5．5era时淀积的ZnO其x射线衍射峰的强

8、度最大，半高宽最小，ZnO薄膜的带间跃迁紫外光发射也最强。这说明在靶距为5．5era左右时有利于薄膜的生长，薄膜的晶化程度也较好。薄膜的厚度不同导致其结构和光学性质有很大的区别。对于在蓝宝石衬底上淀积出厚度分别为216．7nm，360．9nm,489nm和545．6nm的ZnO薄膜，随着薄膜厚度的增加，x射线衍射峰的强度增大，半高宽减小，薄膜的晶粒尺寸逐渐增大，薄膜的晶化程度提高，薄膜在可见光范围内的平均透过率由96．5％减少为H☆末犬攀博圭学位论文92，1％。藏ZnO戆光学豢藩蕤