zno薄膜的反应蒸发法制备及其光电特性

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1、第26卷第6期泉州师范学院学报(自然科学)VoI．26No．62008年l1月JournalofQuanzhouNormalUniversity(NaturalScience)Nov．2008ZnO薄膜的反应蒸发法制备及其光电特性张治国(泉州师范学院功能材料研究所，福建泉州362000)摘要：分析热蒸发时锌液滴在舟内跳动的原因，给出解决问题的方法．用反应蒸发法制备成功ZnO导电薄膜，并给出薄膜的形貌显微照片、XRD图谱、光电效应的测量结果以及其结果与电阻率、薄膜光电子迁移率的关系．关键词：ZnO薄膜；反应蒸发I光电效应中图分类

2、号：TN342文献标识码：A文章编号：1009—8224(2008)O6—0o29—05由于光电子器件的巨大市场，光电材料的研究已成为学术界新的焦点．作为宽禁带半导体，ZnO备受关注．人们已较深入地研究了ZnO的发光[1o]以及其作为透明导电薄膜材料(TC0)方面的性质[1卜】，近年来黄运华等又大量从事ZnO纳米材料的研究[1，最近文[14]报道zn0／si异质结能产生强的光伏效应．因此，它有望作为一种新的光电转换材料．同时由于ZnO制备工艺简单，性能稳定，与Si等传统的光电转换材料相比，在成本上有显著优势．因此，ZnO在太阳

3、能电池或紫外探测器件等光电转换领域具有巨大的应用前景[J．ZnO导电陶瓷作为一种多功能性的材料，具有许多重要的应用．利用ZnO为基的半导体陶瓷对气体的敏感性，可以制作气敏电阻元件，对湿度的敏感性可以制作湿敏电阻元件，对温度的敏感性可以制成用作温度传感器的缓变型正温度系数热敏电阻．ZnO基导电陶瓷的导电性能，主要是由ZnO本身的极性结构、ZnO的本征缺陷及在ZnO基陶瓷中所掺人的杂质引起的．由于ZnO的六角密堆纤锌矿结构，常温下本征缺陷的存在，填隙锌离子的电离，使其具有N型电子导电，其晶粒电阻可以非常低，在室温下或更低温度下就能

4、导电，不需要预热就能工作[s]．在薄膜材料领域，ZnO是一种自激活的半导体材料，具有纤锌矿结构，禁带宽度为3．12eV，从理论上分析，应该具备蓝光或紫外发射的本领；同时，ZnO有很高的导电(导热)性能，并且是一种非常稳定的氧化物．因此，用ZnO薄膜制备出短波长发光器件必然具有高的工作稳定性和较低的价格，有极大的应用价值．ZnO薄膜比较成功的制备方法大致有直流反应磁控溅射n“”、射频反应溅射口““”]、溶胶一凝胶法n卜。、化学气相沉积法[1。。、分子束外延法、脉冲激光沉积法等．经检索，未见真空反应蒸发法制备ZnO薄膜的报道．鉴于

5、真空反应蒸发法控制和操作简单的特点，本文用真空反应蒸发法制备Zn0薄膜并研究其光电特性．1实验研究1．1工艺条件将一定大小的玻璃片、石英玻璃片和氧化铝陶瓷片用水、纯净水、乙醇、丙酮、乙醇依次清洗干净作为衬底，蒸发时衬底温度控制在200℃，将直径100m、长3～5mm的铜丝无序地铺于石英舟底部，将一定重量的锌粒置于这些铜丝上．在预真空为4×10Pa时通O。，O：分压控制在7×10～8×10_。Pa，开启蒸发电源，蒸发电流29A，时间25rain．薄膜厚度用电镜测量样品横断面测出．1．2工艺条件的获取真空反应蒸发虽然简单。但现还未

6、见真空反应蒸发制备ZnO薄膜的报道．根据经验，该工艺最大的困难收稿日期：2008一O7—08作者简介：张治国(1955一)，男，内蒙古凉城人，教授，从事半导体器件及薄膜研究．30泉州师范学院学报(自然科学)2008年l1月有如下两点：一是找不到合适的材料去做蒸锌金属的舟；二是锌的蒸发速率不容易控制．常用的钼舟和石英舟均不能用来蒸发金属锌．实践证明，用这两种舟蒸发金属锌时，被熔化的球状液态锌在舟内不断地跳动，舟表面的温度越高，跳跃幅度越大，易跳出舟外，使工作失败；另外，蒸发速率与温度有关，由于液态球的跳动，使得液态球的受热成为间

7、歇性．因此，它的速率就难以控制．要成功地用反应蒸发法得到Zn0薄膜，就首先要解决这两个问题．锌是一种非常奇特的金属，液态锌滴的跳动有类似水滴跳动的原理．要使熔化的锌滴不跳动，必须做到：(1)增大受热面积；(2)分解汽化锌分子的合力；(3)寻找锌的最小汽化温度．为了达到这一目的，将直径为0．1mm、长为5mm铜丝清洗后散放在石英舟的底部，再将锌块置于舟内，然后在高真空下开启源加热电流，用0．618法寻找锌球汽化的最小电流，再通氧获得最佳氧流量．实验证明这一做法有效地防止了锌在舟内的跳动，减小底部汽化原子对液滴的推力．由图1可见，

8、如果液滴和舟的表面直接接触的话，任意两列气化原子对液滴的向上推力粗略地算应该是F=>：；如果液滴和舟的接触面不是平面，而是一些柱状物的话，那么一—任意两列汽化分子对液滴的向上推力F一>：flCOS0，其=了推力就要小得多，越接近90。，F就越小．横向分力被抵消锌原子的对舟平面