化學(xué)浴沉積法制備擇優(yōu)取向生長(zhǎng)ZnO薄膜及物性研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族組成的金屬氧化物半導(dǎo)體，由于其相對(duì)寬的直接帶隙(～3.37eV)和較高的激子束縛能(60meV)，使得其具有在室溫下發(fā)光的潛力，被稱為第三代半導(dǎo)體材料。近幾十年來(lái)，在納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，對(duì)ZnO潛在應(yīng)用的研究非?；钴S，如光電器件，發(fā)光二極管，光電探測(cè)器，氣敏元件等。此外，原材料廉價(jià)而且豐富，較好的生物相容性，無(wú)毒，良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性和抗輻射能力，這都讓ZnO在未來(lái)的許多應(yīng)用中是一種優(yōu)先考慮的材料。
　　目前

2、，ZnO擇優(yōu)取向生長(zhǎng)薄膜的制備的研究主要集中在物理方法，如分子束外延、射頻磁控濺射、脈沖激光沉積等，但這些方法存在設(shè)備昂貴、成本高、操作復(fù)雜、對(duì)真空要求較高等諸多不足。本文中，選用經(jīng)濟(jì)且光學(xué)透過(guò)率高的非晶玻璃作為襯底，使用操作簡(jiǎn)單反應(yīng)容易控制的化學(xué)浴沉積法制備擇優(yōu)取向生長(zhǎng)ZnO薄膜，但是直接在裸露的非晶玻璃上很難通過(guò)該方法制備擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的ZnO薄膜，為此，在非晶玻璃上用溶膠-凝膠法預(yù)先制備一層ZnO種子層，它給化學(xué)浴沉積過(guò)程中ZnO的

3、沉積提供了形核點(diǎn)，降低了形核功，成功解決了這一難題，而且因?yàn)楸∧づc襯底之間不存在嚴(yán)格的外延關(guān)系，不會(huì)因?yàn)樵拥腻e(cuò)配而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，另外，ZnO種子層與化學(xué)浴沉積的ZnO薄膜屬于同種材料，熱膨脹系數(shù)相差不大，很好的避免了因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生應(yīng)變。對(duì)ZnO種子層制備過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，如燒結(jié)溫度、前驅(qū)液中MEA/Zn2+比例、旋涂次數(shù)、陳化溫度、溶劑種類等，工藝參數(shù)的研究顯示，燒結(jié)溫度在370-500℃范圍變化時(shí)，對(duì)化學(xué)浴沉積ZnO薄膜

4、的取向影響不大，但影響其晶粒尺寸，但當(dāng)溫度高于500℃時(shí)，由于種子層ZnO與非晶玻璃中Si02反應(yīng)，使種子層中ZnO減少，經(jīng)化學(xué)浴沉積后ZnO薄膜質(zhì)量不好。乙醇胺MEA具有很強(qiáng)的質(zhì)子化能力，可以與Zn2+絡(luò)合，使其在溶膠中分散開(kāi)來(lái)，形成一個(gè)Zn2+均勻分布的體系，同時(shí)MEA保證溶膠的穩(wěn)定性，前驅(qū)液中MEA/Zn2+比例影響化學(xué)浴沉積薄膜的質(zhì)量，當(dāng)MEA/Zn2+=0.5時(shí)，絡(luò)合作用相對(duì)較弱，體系沒(méi)有良好的分散性，而當(dāng)MEA/Zn2+=2

5、.5時(shí)，會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚，經(jīng)化學(xué)浴沉積后薄膜粗糙度較大，MEA/Zn+=0.5，薄膜質(zhì)量最好，顆粒分布最均勻。旋涂次數(shù)的多少主要影響ZnO的(002)取向性，隨著旋涂次數(shù)增加，(002)衍射峰相對(duì)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。而陳化溫度和溶劑種類嚴(yán)重影響最終薄膜的擇優(yōu)取向性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)陳化溫度為18℃，最終薄膜的非極性擇優(yōu)取向和質(zhì)量最好。
　　化學(xué)浴沉積時(shí)主要研究了醇的種類及其含量和非極性輔助劑的種類及其含量的影響。不同的醇具有不同性質(zhì)，會(huì)吸附在ZnO的某

6、些特定晶面，抑制其生長(zhǎng)，研究發(fā)現(xiàn)，甲醇可能吸附在ZnO的(110)、(100)和(002)晶面上，而乙醇、異丙醇和正丙醇可能吸附在(002)和(101)晶面處，這樣更有利于ZnO沿(100)和(110)晶面方向生長(zhǎng)。非極性輔助劑主要是調(diào)節(jié)溶液的極性，與“相似相溶”原理類似，當(dāng)溶液的極性和ZnO某一晶面極性大小相近時(shí)，越有利于該晶面的生長(zhǎng);不同的非極性輔助劑對(duì)于ZnO非極性薄膜的制備都有自己濃度范圍，當(dāng)其濃度增加，隨著非極性薄膜的生成，非

7、極性的溶液會(huì)向ZnO非極性晶面聚集，Zn2+向襯底表面移動(dòng)受到阻礙，導(dǎo)致薄膜厚度減小，當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，甚至只有少量薄膜生成。
　　本文還通過(guò)XRD、AFM及SEM等表征方法對(duì)不同擇優(yōu)取向ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)(100)擇優(yōu)取向與(100)和(110)同時(shí)占優(yōu)薄膜形貌相似，(110)擇優(yōu)取向薄膜表面粗糙度最大，(101)擇優(yōu)取向薄膜表面粗糙度最小。也對(duì)表面潤(rùn)濕性進(jìn)行了研究，(110)擇優(yōu)取向薄膜具有較好的疏水性，