ZnO薄膜的制備表征、高溫原位研究及毛細管聚焦研究.pdf

1、第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO，是近年來繼GaN以后新的研究熱點。ZnO在室溫下的禁帶寬度為3,3eV，室溫下的激子束縛能為60meV，理論上可以實現(xiàn)室溫下的紫外光受激發(fā)射。ZnO具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以廣泛的應(yīng)用在透明電極、壓敏電阻、太陽能電池窗口、表面聲波器件、氣體傳感器、發(fā)光二極管等領(lǐng)域。雖然在ZnO薄膜的制備方面已經(jīng)取得了較好的進展，但仍沒有實現(xiàn)器件質(zhì)量級的P型摻雜，要解決P型摻雜問題并制造出實用的器件，首先就要求制備

2、出更高質(zhì)量的ZnO單晶膜。因此，制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜具有十分重要的意義。
　　 本論文利用PLD和MBE方法，在不同的襯底上制備出了高質(zhì)量的ZnO薄膜，并利用同步輻射X射線衍射（XRD）、掠入射衍射(GID)、搖擺曲線、光致發(fā)光(PL)、高溫原位X射線衍射及一些常規(guī)的測試方法，對制備的ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)以及薄膜和襯底間的界面信息進行了研究，同時還研究了不同濃度的Mn摻雜對ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響，主要的研究工

3、作及結(jié)果如下：
　　 1．在Al2O3襯底上ZnO薄膜的制各及其結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)的研究
　　 利用PLD方法，在Al2O3襯底上外延制備了ZnO薄膜，對不同襯底溫度條件下制備的ZnO/Al2O3薄膜的結(jié)構(gòu)、晶格弛豫以及ZnO和襯底界面處的結(jié)構(gòu)信息做了研究，結(jié)果表明：在A12O3襯底上制備的ZnO薄膜都具有高度的C軸取向，并且在600℃條件下制備的ZnO/Al2O3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好。將600℃條件下制備的ZnO/Al2O3

4、薄膜在不同氣氛條件下進行退火處理，對退火后樣品的結(jié)構(gòu)、發(fā)光性能進行了研究。結(jié)果顯示：在相同的的退火溫度下，氧氣氛中退火后的薄膜質(zhì)量更優(yōu)；光致發(fā)光譜表明Zn0薄膜的紫外發(fā)射峰與樣品的結(jié)晶質(zhì)量有著很大的關(guān)系，結(jié)晶質(zhì)量越好，紫外峰強度越高，綠光發(fā)射峰可能與樣品內(nèi)部反位氧缺陷濃度有關(guān)。
　　 2．襯底對ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)的影響
　　 利用PLD技術(shù)在Al2O3和Si襯底上，在最優(yōu)化條件下制備了ZnO薄膜。XRD結(jié)果顯示在

5、Al2O3襯底上制備的ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較好，PL結(jié)果顯示在Si襯底上制備的ZnO薄膜內(nèi)部缺陷較多，表現(xiàn)為綠光發(fā)射峰的出現(xiàn)。
　　 利用MBE技術(shù)在ZnO單晶襯底上同質(zhì)外延制備了ZnO薄膜。X射線衍射和（O）掃描的結(jié)果顯示同質(zhì)外延的ZnO薄膜已經(jīng)達到單晶水平；GID結(jié)果顯示，在薄膜不同深度處a方向的晶格弛豫是不一致的。
　　 3．Mn摻雜對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響
　　 利用PLD方法，在Si襯底上制備了

6、Mn摻雜的ZnO薄膜，Mn摻雜后，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變差；摻雜的Mn原子進入ZnO的晶格后，替代了Zn原子的位置形成了Zn0.9Mn0.1O合金薄膜，因此Zn0.9Mn0.1O樣品的帶隙應(yīng)介于MnO(4.2eV)和2nO(3.3eV)之間，在PL譜中表現(xiàn)為帶邊發(fā)射峰位置的藍移，摻雜后樣品中氧空位增多，在PL譜中表現(xiàn)為綠光發(fā)射峰強度的增大。
　　 4．ZnO薄膜的高溫原位XRD研究
　　 利用脈沖激光沉積方法，在Si、Al2O

7、3、SiC襯底上制備了高度C軸取向的ZnO薄膜。對它們進行了高溫原位XRD研究，結(jié)果顯示：隨著環(huán)境溫度的增加，ZnO薄膜中缺陷不斷減少，結(jié)晶質(zhì)量不斷變好，晶粒逐漸生長變大，晶格常數(shù)也隨著溫度的變化而發(fā)生變化；ZnO薄膜在900℃高溫下仍具有很好的穩(wěn)定性。
　　 對在Si襯底上制備的2n0.9Mn0.1O薄膜進行了高溫原位XRD研究。結(jié)果顯示：開始階段，隨著環(huán)境溫度的增加，Zn0.9Mn0.1O/Si薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變差，隨著環(huán)境溫

8、度的繼續(xù)增加，Zn0.9Mn0.1O/Si薄膜的結(jié)晶質(zhì)量開始變好；隨著溫度的升高，c軸方向的晶格常數(shù)不斷增大，薄膜中的晶粒大小先減小后變大；Zn0.9Mn0.1O/Si薄膜在900℃高溫下仍具有很好的穩(wěn)定性。
　　 5．單次反射毛細管聚焦研究
　　 在NSRLX射線衍射與散射實驗站上，利用單次反射毛細管對X射線進行聚焦，管聚焦后焦點處的光斑直徑為125μm，聚焦后的光強約增大為原來的兩倍。使用經(jīng)過毛細管聚焦后的X射線光束