磁控共溅射制备Cu掺杂ZnO薄膜的微结构、表面形貌和光电特性的研究.pdf

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1、磁控共溅射制备Cu掺杂ZnO薄膜的微结构、表面形貌和光电特性的研究刘永2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540磁控共溅射制备Cu掺杂ZnO薄膜的微结构、表面形貌和光电特性的研究作者姓名刘永学院名称物理学院指导教师王志副教授答辩委员会主席欧阳吉庭教授申请学位级别理学硕士学科专业物理学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月18日Microstructure,surfacemorphologyandopticalpropertiesofCu-dopedZnOthinfilmspreparedbymagnetronco

2、-sputteringCandidateName：YongLiuSchoolorDepartment:SchoolofPhysicsFacultyMentor:Associate-Prof.ZhiWangChair,ThesisCommittee：Prof.JitingOuyangDegreeApplied:MasterofScienceMajor：PhysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January18,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我

3、本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要ZnO作为一种新型的透明导电氧化物薄膜材料，由于禁带宽度大（3.37eV）、激子束缚能大（60meV）、易掺杂、成本低、无毒无污染等优点，在光电器件及太阳能电池领域有着广泛的应用。在众多掺杂物中，C

4、u掺杂能够减小ZnO薄膜的禁带宽度进而改变ZnO薄膜的发光特性和吸收效率。之前的研究者们对于Cu掺杂ZnO薄膜的研究都局限于部分掺杂范围内。本文使用磁控共溅射法，在玻璃衬底上制备了两组Cu掺杂的ZnO薄膜，得到了从稀掺杂到重掺杂（0-23.8%）的范围。并使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、光致发光测量系统（PL）和紫外-可见吸收谱（UV-Vis）系统分析了Cu掺杂对薄膜的微结构、表面形貌和光电特性的影响。XRD和SEM结果显示，除了重掺杂（23.8%）的样品外，大部分薄膜都呈现出替位掺杂的（002）单一相。适量的Cu掺杂能

5、够促进ZnO薄膜的结晶特性和（002）择优取向，但过量的不利于结晶和择优取向的形成。PL的结果显示，Cu掺杂具有明显的荧光猝灭特性，在可见光区域，所有的发光峰都为蓝光峰，它们主要来源于电子从导带底到锌空位的跃迁和反位锌到锌空位的跃迁，501nm附近微弱的绿光峰起因于电子从导带底到氧填隙的跃迁，我们详细分析了各个发光峰的来源。我们能够通过改变Cu的掺杂浓度进而控制蓝光发光带的强度。重掺杂区的UV-Vis的测量结果显示，Cu掺杂显著改变了ZnO薄膜在近紫外和可见光区域内的吸收特性。随着Cu重掺杂浓度的增加，ZnO薄膜的吸收峰强度逐渐增强，红移现象

6、出现，ZnO薄膜禁带减少值逐渐增大。在Cu掺杂浓度为23.8%时，我们发现了0.64eV的减小值。关键词：透明导电氧化物薄膜；ZnO薄膜；Cu掺杂；磁控共溅射法；光学性质I北京理工大学硕士学位论文AbstractAsanewtransparentconductiveoxidefilmmaterial,ZnOisappliedextensivelyinfieldofsolarcellandoptoelectronicdevices,becauseoflargewide-bandgap(3.37eV),largeexcitonbindingene

7、rgy(60meV),availablitytodoping,cheapness,nontoxicityandinnocuousness.Amongvariousdopants,CudopingcanmodifytheluminescenceandtheabsorptioncoefficientofZnOcrystalsthroughreducingthebandgap.MostpreviousresearchersstudiedZnO:Cufilmswithmoderatedopinglevel.Inthisstudy,wepreparet

8、wogroupsofZnO:CufilmswithdifferentCudopingcontent(0-23.8%)ongrasssubstratesbymagne