非平衡狀態(tài)下薄膜表面形貌及相關函數研究.pdf

1、非平衡態(tài)就是指系統(tǒng)各部分物理性質(如流速、溫度、密度)不均勻的現(xiàn)象。本文中的非衡態(tài)主要是指薄膜生長的過程是不平衡的，薄膜在生長過程中，各種粒子之間的相互碰撞、粒子與基板碰撞發(fā)生反射、吸附及在基板上的形核與生長、島形合成、合并與生長最后形成連續(xù)的膜層都可以看成是在非平衡態(tài)下進行的。近些年來，薄膜材料與薄膜技術得到迅速發(fā)展，各類新型薄膜材料大量涌現(xiàn)，薄膜制作和微細加工工藝也在不斷創(chuàng)新。在眾多的薄膜材料中，ZnO薄膜材料的應用非常廣泛。ZnO

2、是一種優(yōu)良的寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族n型半導體材料，其激子結合能高達60 MeV，室溫下易實現(xiàn)高效受激發(fā)射。它在室溫下的穩(wěn)定相是六角纖鋅礦結構，通常具有(002)取向性生長。ZnO的原料廉價、無毒，性能穩(wěn)定，并且容易得到，是最具開發(fā)潛力的新型功能材料之一，被廣泛應用于表面聲波器材、太陽能電池電極、壓電器件、氣體傳感器、磁光器件、電光器件、新型發(fā)光材料、緩沖層等領域。由于ZnO薄膜物理化學性質非常優(yōu)異，而ZnO的摻雜會使ZnO薄膜物理化學性質變的更

3、加優(yōu)異。所以，近來研究ZnO摻雜的人不斷的增加，在ZnO薄膜中摻入不同的原子或離子，會改變ZnO的結構和禁帶寬度，使ZnO薄膜產生新的物相，從而產生不同的理化學性質。
　　 在本論文的工作中，我們采用射頻磁控濺射技術在硅襯底和石英玻璃襯底上制備出了高質量摻雜的ZnO薄膜，并采用多種分析方法對其結構、表面形貌特性進行了研究。論文主要內容如下：
　　 首先，我們研究了Er/Yb/Al的摻雜量的不同對ZnO薄膜晶體結構和表面形

4、貌的影響。結果表明，采用射頻磁控濺射技術在Si襯底上制備的ZnO薄膜，具有高的C軸取向性，而在同等條件下制備的Er/Yb/Al摻雜的ZnO薄膜，C軸取向性消失，變成了(102)取向性生長的納米多晶薄膜。經XRD測試還表明，Er/Yb/Al摻雜的ZnO薄膜的晶粒尺寸隨著Er元素含量的增多而減小，說明了Er元素的摻雜有促使晶粒變小的趨勢。經AFM測試表明，室溫下Er/Yb/Al摻雜的ZnO薄膜粗糙度普遍較高，薄膜質量不好。這說明了Er3+、

5、yb3+、Al3+的摻入引起了ZnO薄膜晶格場變化，使ZnO薄膜偏離了正常生長。樣品灰度是隨著Er元素含量的增多而慢慢變小，平均粗糙度和均方根粗糙度也都相應的減小，這點與XRD測試結果相符合。
　　 其次，我們研究了氧氬比對Er摻雜的ZnO薄膜結構和表面形貌的影響。通過X射線衍射分析了樣品薄膜的結構和結晶情況，結果表明，本實驗在硅片和石英玻璃襯底上制備的Er摻雜ZnO薄膜具有高度C軸擇優(yōu)取向性。隨著氧分壓升高，薄膜的(002)衍

6、射峰衍射強度越來越小，而FWHM值先變小，后變大，在氧氬比為4:16時最小，相應的薄膜晶粒則是最大的，根據衍射峰的強度和薄膜晶粒大小分析，Er摻雜ZnO薄膜生長的最適條件應該在氧氬比為0:16到4:16之間，估計在2:16附近。原子力顯微鏡測試結果表明，隨著氧分壓的升高，薄膜表面的粗糙度相應的變高了，在氧氬比為0：16時，雖然薄膜有最小粗糙度，但是樣品中顆粒大小不一，并且顆粒與顆粒之間還夾雜有不少的孔洞，而通入氧氣后這種現(xiàn)象減少了，與X

7、射線衍射分析結果一致。原子力顯微鏡分析還表明了，我們所制備的樣品薄膜的表面為高斯型隨機表面。
　　 最后，我們分析了襯底溫度對Er摻雜的ZnO薄膜結構和表面形貌的影響。通過X射線衍射分析了樣品薄膜的結構和結晶情況，說明了本實驗在硅片和石英玻璃襯底上制備出的Er摻雜ZnO薄膜具有高度C軸擇優(yōu)取向性。隨著襯底溫度的升高，薄膜的衍射強度越來越高，晶粒先變小又變大，在400℃時晶粒最大。薄膜的晶格常數也隨著溫度的升高而趨向于標準的晶格發(fā)