射頻磁控濺射法制備ZnO-Eu3+薄膜及其發(fā)光研究.pdf

1、近年來,稀土(Rare Earth)摻雜化合物半導(dǎo)體由于其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用受到人們極大地關(guān)注。稀土元素的4f電子被外部5s25p6電子屏蔽,受到基質(zhì)晶體場的作用較小,f-f躍遷發(fā)射呈特征銳線狀光譜。其中,稀土Eu3+的5D0-7F2躍遷能夠產(chǎn)生610nm左右的紅光,成為光電器件中一種重要的發(fā)光材料。
　　 氧化鋅是Ⅱ—Ⅵ族寬禁帶直接帶隙化合物半導(dǎo)體,室溫下禁帶寬度3.37eV,激子束縛能高達(dá)60meV,比室溫?zé)犭x化能(26meV

2、)大得多,熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好。ZnO還具有無毒、易刻蝕、價格低廉且可與硅微電子集成工藝相容等優(yōu)點,使其成為室溫下?lián)诫s稀土元素發(fā)可見光的優(yōu)越宿主材料。ZnO薄膜對紫外光有強(qiáng)烈的吸收?？梢岳眠@一性質(zhì)摻雜稀土元素,將吸收的能量傳遞到稀土發(fā)光中心,實現(xiàn)可見光發(fā)光,應(yīng)用于熒光轉(zhuǎn)換型發(fā)光二極管,即用高亮度的近紫外LED激發(fā)ZnO:RE3+薄膜,產(chǎn)生RE3+的特征可見光發(fā)射。
　　 本文采用射頻磁控濺射法在石英襯底上制備了ZnO:Eu3

3、+薄膜,用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和熒光光譜儀研究了磁控濺射工藝參數(shù)如濺射功率、氧氬比、襯底溫度、退火工藝和摻雜濃度對其結(jié)構(gòu)、形貌和發(fā)光性能的影響,主要得到以下結(jié)果:
　　 (1)制備的ZnO:Eu3+薄膜均具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),沒有其它雜相；高的濺射功率和合適的氧氬比有利于形成ZnO的C軸擇優(yōu)取向；增大濺射功率以及高溫退火會使薄膜晶粒尺寸增大。
　　 (2)甩372nm激發(fā)樣品,觀察到ZnO基質(zhì)到Eu3+離子5D0-

4、7Fi(j=0,1,2,3)之間的能量傳遞現(xiàn)象,其中以5D0-7F2躍遷(611nm左右)最強(qiáng)。
　　 (3)以Eu3+的5D0-7F2(611nm)躍遷為監(jiān)測波長,測得的激發(fā)譜(PLE)包括ZnO的間接激發(fā)和Eu3+離子的直接激發(fā)。其中ZnO的帶間激發(fā)及自由激子激發(fā)占主要作用,證實了ZnO基質(zhì)與摻雜Eu3+之間存在有效地能量傳遞。
　　 (4)大的濺射功率(190w)、高的襯底溫度(580℃)、合適的摻雜濃度(1.7％