ZnO纳米晶薄膜在FeO(111)缓冲层上的生长与电子结构研究.pdf

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1、2013年6月ZnO纳米晶薄膜在FeO(111)缓冲层上的生长与电子结构研究89ZnO纳米晶薄膜在FeO(111)缓冲层上的生长与电子结构研究杨孔银薛名山吴海南王文峰都龙飞(南昌航空大学材料科学与工程学院，江西南昌330063)摘要：为了改善ZnO纳米晶薄膜的结晶度，我们利用FeO(111)薄膜作为缓冲层研究了ZnO纳米晶薄膜在Mo(110)沉底上的生长，并利用x射线光电子能谱仪、俄歇电子能谱仪和高分辨电子能量损失谱仪研究了其电子结构。结果表明，与传统的Mgo(111)缓冲层相比，FeO(1l1)因其与ZnO之间较小的晶格失配度更有

2、利于ZnO薄膜的取向生长。而且，实验发现reO(111)与ZnO之间的界面反应降低了它们之间的界面能，进一步促进了ZnO薄膜的初始形核和生长。关键词：氧化锌缓冲层电子结构1引言2．1试剂ZnO因其宽的直接带隙(在室温下为3．37eV)而Mo(110)单晶购自Sigma—Aldrich公司；无水乙一直受到广泛的关注¨】。在最近的十多年里，其在短醇、丙酮和甲醇(99．5％，分析纯)购自北京化学试剂公波长的光激发和大的激子激活能(60meV)等方面的优司；高纯铁丝和锌丝(99．99％)由西北有色金属研究院势，更是掀起了一轮研究高潮，并被普

3、遍认为是第三代提供。所用超纯水电阻率大于18MII·cm。半导体材料的典型代表¨．2j。与带隙相近的蓝光半导2．2样品制备体GaN相比，ZnO在近紫外光激发、透明薄膜晶体管和本论文的主要工作都是在超高真空体系中进行，太阳能电池等方面的应用都具有优势，甚至ZnO可以主要有两台系统：一台是英国VG公司生产的x射线用作衬底异质取向地生长高质量的GaN薄膜⋯。为了光电子能谱仪(型号：VGESCALAB一5)，另一台是由早日实现它的应用价值，首要的任务就是制备出高质德国Leybola—Heraeus公司生产的高分辨电子能量损量的ZnO单晶或有

4、序薄膜。失谱仪(型号：IMEKS一22)。将Mo(110)衬底从大气目前，人们已经采用了各种生长方法，比如分子束放入真空的过程中或生长薄膜之后，样品表面会吸附外延、脉冲激光沉积、有机金属化学气相沉积、磁控溅有其它物质。我们先利用电子束加热的方法使样品温射等，来制备高质量的ZnO。人们也尝试了使用不同度迅速(<5秒)升温到一1500K，然后自然冷却下来，的衬底，比如蓝宝石、Si、GaN和SiO：等等。但是，正如并反复操作几次。这样可以使样品表面大部分杂质因参考[1]中评论的那样，由于不能同时解决晶格匹配、高温而脱离表面。接着，由于样品

5、体内含有部分碳，在消除氧空位和杂质，增加有效形核中心等问题，ZnO的高温加热过程中会扩散到表面，需要将样品在～1O晶体质量一直没有获得很大的进展，也没有找到对mbar的氧气和一1200K的衬底温度下进行氧化处理，ZnO的P型掺杂和带隙调制的问题有效解决的办以使碳氧化后形成CO或CO而脱离表面。然后，继续法J。这些问题的存在，激发着人们继续研究ZnO。在超高真空条件下，利用电子束加热方式迅速升温至在众多ZnO的生长方法中，比较成功的是在蓝宝石上一1500K，并重复1—2次，以去除表层的氧化层。从采用Mso(111)作为缓冲层生长ZnO

6、。研究认为，MgO而，可以获得清洁的衬底表面。的缓冲层能有效地降低晶格匹配和提供形核中心。采ZnO和FeO等金属氧化物薄膜的制备，采用的是用分子束外延生长ZnO时一般都是在大于500℃的高真空热丝蒸发沉积的方法。从原理上来说，就是将需温下生长，这从MgO(1l1)本身的热稳定性来说，不利要蒸发的金属带或丝紧紧缠绕在耐高温且导热性好的于ZnO的形核。由于极性不稳定性，Mgo(111)容易在电阻丝(比如w和Ta丝)上，使它们形成良好的电接其表面形成{10}小面结构，阻碍ZnO的形核。我们发触。在电阻丝两端加载直流电流，金属源因受热超过现

7、与MgO(111)结构相同的FeO(111)的热稳定要好得某个温度后而发射出金属原子。对氧化物薄膜的制多，它在70~C以上都能保持稳定。在本论文中，我们备，只需在蒸发金属源的同时，将真空室内充入一定压将讨论ZnO在FeO(111)缓冲层上的生长，并对其形成强的氧气，在一定的样品温度下就可以实现金属粒子机制进行分析。与O的反应蒸发沉积。2实验部分2．3试样表征江西化工2013年第2期用x一射线光电子能谱(简记为XPS，)检测表面3结果与讨论化学组成和电子结构。测试条件如下：MgKa激发源3．1ZnO薄膜的生长和电子结构(hv=1253

8、．6eV)，通能(passenergy)50eV，出射角我们采用zn和O共沉积的方法在FeO(111)薄膜(takeofangle)35。，测试腔内压力约为3X10一Tort。上生长ZnO薄膜。zn源的蒸发速率控制在0．05ML／利用