ZnO缺陷調控及其波譜學研究.pdf

1、ZnO作為一種極富前景的直接帶隙寬禁帶半導體材料，具有大的室溫激子束縛能、優(yōu)異的輻照穩(wěn)定性以及形貌和納米結構的可控合成等優(yōu)點，廣泛應用于熱控涂層、紫外激光器、太陽能電池、透明導電薄膜、傳感器、自旋電子器件以及平板顯示器等領域。ZnO材料及器件實現實際應用的關鍵在于對ZnO缺陷和雜質的理解和調控。然而，盡管人們對ZnO的研究已進行了半個多世紀，無論是大塊單晶還是納米結構的ZnO，其缺陷物理、處理方式和宏觀性能之間的關系并沒有得到較好的掌握

2、，一些基本問題仍然沒有研究清楚，嚴重阻礙了ZnO材料及器件的發(fā)展應用。
　　本文采用施、受主摻雜，離子注入及氣氛退火等典型性處理手段，對ZnO晶格點陣缺陷及雜質的種類和濃度進行了調控，結合全面、互補的缺陷表征測試，研究了ZnO中點陣缺陷的調控機制及其光譜學特性，并對多晶粉末、單晶晶須和體相單晶等不同形態(tài)的ZnO進行了驗證試驗，探索了ZnO材料的缺陷-處理條件-光學性能之間的聯系，主要研究內容如下：
　　通過對ZnO進行空氣、

3、N2、O2、H2高溫熱處理和H+、電子注入試驗，研究了熱處理和粒子注入所誘發(fā)的光學性能退化的機制及其差異。試驗發(fā)現，空氣、N2和O2氣氛下熱處理誘發(fā)的藍紫光吸收具有相同的特性，吸收中心位于395nm；而H+和電子注入產生的光吸收曲線明顯寬化，吸收中心分別位于420nm和430nm。分析表明，ZnO在空氣、N2和O2氣氛下熱處理產生的藍紫光吸收與退火氣氛無關，可主要歸于中性VO缺陷，而H2氣氛下退火和質子、電子注入誘發(fā)的光吸收則可歸于中性

4、VO和Zni缺陷共同作用的結果。另外發(fā)現Al施主摻雜可以有效消除熱處理引起的光吸收，卻不能抑制質子注入誘發(fā)的光學性能退化，表明Al摻雜消除熱處理引起的光吸收是通過補償氧空位機制，而非載流子填充單電離氧空位缺陷機制。
　　探討了ZnO熒光光譜中深能級發(fā)射的起源問題，通過缺陷調控，標定了不同能量的可見發(fā)光峰所對應的缺陷中心。通過H2退火、高溫O2退火和Al摻雜及退火處理，揭示出波長為494nm(2.51eV)，526nm(2.35eV

5、)和550nm(2.26eV)的可見發(fā)光峰可分別歸于VO、VZn和Oi相關的缺陷中心。原始ZnO中位于503nm(2.46eV)的平滑的發(fā)光峰，可能源于VO到CuZn1+雜質之間的施主-受主對的輻射復合，熱處理后產生的具有精細結構的503nm發(fā)光峰則源于CuZn2+發(fā)光。
　　研究了ZnO多晶粉末FT-IR光譜中出現的波數在3414cm-1、3549cm-1、3591cm-1、3602cm-1、3640cm-1和3680cm-1附

6、近的6個紅外吸收峰的起源問題。通過測量具有不同粒徑大小和純度的ZnO的紅外吸收光譜，以及對ZnO進行Li及其同位素Li6摻雜試驗，發(fā)現這6個紅外吸收峰與ZnO的雜質及在禁帶中局域化的表界面態(tài)缺陷無關。在D2和H2退火處理后，觀測到H同位素峰移，表明其源于吸附在ZnO不同晶面上的H2O分子或OH基團，而非氫化的VZn-H缺陷。
　　通過對ZnO進行H2O2刻蝕、高溫O2退火等富氧條件處理和Li受主摻雜，對ZnO晶格中兩種主要受主型缺

7、陷VZn和LiZn的產生機制及相應光學信號的標定進行了探索。研究發(fā)現對ZnO進行H2O2刻蝕和Li摻雜處理，均在ZnO低溫PL光譜中出現414nm(3eV)的發(fā)射峰，證明了該峰為VZn缺陷相關的信號，與Li、Na等替位Zn缺陷無關。H2O2刻蝕和高溫O2退火處理則均在ZnO中引入525nm的綠光發(fā)光峰，可歸于與414nm發(fā)光中心具有不同電荷態(tài)的VZn缺陷。此外，實現了Li摻雜原子在ZnO晶格中受主態(tài)LiZn和施主態(tài)Lii兩種型位的可控控