襯底溫度對低功率制備ZnO薄膜光學(xué)特性的影響.pdf

1、ZnO 是一種新型的直接帶隙寬帶半導(dǎo)體，室溫禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能高達60meV，可以實現(xiàn)室溫紫外激光發(fā)射。在大氣條件下，ZnO 具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。作為新一代的寬帶半導(dǎo)體材料，ZnO 具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)及壓電特性，在發(fā)光二極管、光探測器、電致熒光器件、透明導(dǎo)電薄膜、表面聲波器等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　 ZnO 薄膜的制備方法主要有：磁控濺射法、脈沖激光沉積、分子束外延、金屬有機化學(xué)氣相沉積、噴霧熱分解、溶

2、膠-凝膠法等。磁控濺射法由于具有設(shè)備簡單、成本低、易操作、沉積率高、對基底溫度的要求相對較低且薄膜的附著性好，其成分在一定程度上可控等優(yōu)點而被廣大研究者廣泛采用。
　　 本論文通過直流反應(yīng)磁控濺射方法進一步研究了低功率條件下，制備溫度對ZnO 薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性的影響，從而為ZnO 薄膜的應(yīng)用提供一些實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下：
　　 1、在研究Si 襯底，襯底溫度對ZnO 薄膜特性的影響中發(fā)現(xiàn)：在RT 到4

3、00℃范圍內(nèi)，隨著襯底溫度的升高，所制備樣品的（002）峰半高寬逐漸減小，晶粒尺寸逐漸長大，結(jié)晶性能越來越好。
　　 通過紫外分光光度計對樣品光致發(fā)光特性的研究，我們觀察到440 nm、485nm和527 nm 左右的三個主發(fā)光峰。低功率條件下對制備的ZnO 薄膜的藍光發(fā)射具有很重要的影響。綜合分析得出：440 nm 左右的藍光發(fā)射與Zni 有關(guān)，485 nm附近的藍光發(fā)射是由于氧空位形成的深施主能級上的電子躍遷到價帶頂?shù)慕Y(jié)果，

4、而527 nm 左右較弱的綠光發(fā)射主要來源于導(dǎo)帶底到氧錯位缺陷能級的躍遷。生長溫度主要是通過改變薄膜中缺陷種類及濃度而影響著ZnO 薄膜的發(fā)光特性。
　　 2、在研究玻璃襯底，襯底溫度對ZnO 薄膜特性的影響中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)襯底溫度為300℃時，所制備樣品的（002）衍射峰半高寬度最小，晶粒尺寸最大，結(jié)晶性能最好。合適的襯底溫度有利于提高ZnO 薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。
　　 通過對ZnO 薄膜光吸收和透射特性的研究，我們發(fā)現(xiàn)：所有樣

5、品在紫外區(qū)都顯示出較強的光吸收；在可見光區(qū)，當(dāng)襯底溫度為200℃和300℃時，其平均透過率高達94％以上；這是由于ZnO的能隙比可見光區(qū)的能量高，因此在可見光區(qū)的光吸收主要為自由載流子吸收，而ZnO 薄膜的自由載流子遷移率很高，致使自由載流子吸收系數(shù)很小的結(jié)果。我們還應(yīng)用量子限域模型對ZnO 薄膜的光學(xué)帶隙作了相應(yīng)的理論計算，計算結(jié)果與實驗值符合的很好。
　　 3、在研究玻璃襯底，制備溫度對ZnO 薄膜透射及光吸收特性的影響中發(fā)

6、現(xiàn)：
　　 在可見光區(qū)，所有樣品都表現(xiàn)出了很高的透過率，其中①室溫和③室溫制備、275℃退火處理這兩個樣品的透過率較好，平均透過率高達90％以上。同時在200nm 到300nm的紫外光波段，ZnO 薄膜表現(xiàn)出了強烈的透射性，透過率都超過100％，尤其是在①③號這兩個樣品中，ZnO 薄膜的透過率較高，都超過了400％，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因：我們認(rèn)為可能是濺射功率較低，薄膜缺陷較多，在短波長光激發(fā)下二次發(fā)光的結(jié)果。這只是初步的分析，其