擇優(yōu)取向生長的ZnO薄膜的制備及氧化物薄膜生長過程的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種新型的直接寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料,近年來受到了研究者的廣泛關(guān)注。室溫下ZnO的禁帶寬度為3.37eV,這一特性使其具有出色的短波長發(fā)光能力。ZnO具有高達(dá)60meV的激子束縛能且激子在室溫下可以穩(wěn)定存在,因此,ZnO是制備室溫紫外激光二極管(LDs)的理想材料。除此之外,ZnO還具有優(yōu)良的壓電、氣敏、壓敏等特性,而且原材料廉價豐富、無毒、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性好、抗輻射性強(qiáng)。因此,ZnO的諸多方面成為了研究的熱點(diǎn)。

2、其中,薄膜作為ZnO的主要形態(tài)結(jié)構(gòu),具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。
　　 目前,隨著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展和完善,幾乎所有制備方法都可以用于ZnO薄膜的制備。其中,溶膠-凝膠(Sol-gel)方法因其低廉的成本、簡單的制備工藝及在納米材料合成方面的優(yōu)勢日益受到研究者的青睞。然而,薄膜質(zhì)量的提高及薄膜擇優(yōu)取向生長的機(jī)制仍然是sol-gel法制備ZnO薄膜中亟需解決的關(guān)鍵問題。近年來,很多研究工作都是針對c軸取向生長的ZnO薄膜而且實(shí)驗(yàn)

3、結(jié)果表明c軸取向ZnO薄膜的制備工藝已經(jīng)相對成熟,但是在玻璃襯底上生長a軸取向ZnO薄膜的研究工作開展得很少。因此,進(jìn)行a軸取向ZnO薄膜的制備研究將是一項(xiàng)具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的工作。
　　 本文利用sol-gel法制備了具有不同擇優(yōu)取向的ZnO納米顆粒薄膜,同時具體分析了前驅(qū)溶膠中Zn2+及MEA濃度、旋涂次數(shù)、燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)對ZnO薄膜質(zhì)量及生長取向的影響并對不同擇優(yōu)取向ZnO薄膜的生長機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。同時,本文采用

4、分子動力學(xué)(Molecular dynamics,MD)方法模擬了MgO分子連續(xù)沉積于MgO(001)表面上的薄膜生長過程以及ZnO納米團(tuán)簇在ZnO(0001)表面上隨溫度變化的結(jié)構(gòu)演變過程。
　　 Sol-gel法制備的c軸擇優(yōu)取向ZnO薄膜是由眾多納米顆粒緊密堆積形成的。工藝參數(shù)研究結(jié)果顯示,Zn2+濃度、旋涂次數(shù)以及燒結(jié)溫度變化對薄膜的結(jié)晶性和c軸擇優(yōu)取向性均具有較大影響,而MEA濃度對薄膜生長取向影響較小。當(dāng)Zn2+濃度

5、為0.4mol·L-1,MEA與Zn2+的摩爾濃度比值為2.0,重復(fù)旋涂5次時,經(jīng)500℃燒結(jié)制備的ZnO薄膜具有最佳的c軸擇優(yōu)取向而且薄膜質(zhì)量較好。
　　 Sol-gel法制備a軸擇優(yōu)取向ZnO薄膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,a軸取向ZnO薄膜的生長要求很低的Zn2+濃度及適當(dāng)?shù)男看螖?shù),sol-gel法在玻璃襯底上較難生長出連續(xù)的a軸取向ZnO薄膜。
　　 結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和纖鋅礦ZnO的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析認(rèn)為,緊密排列的ZnO晶粒之間強(qiáng)

6、的偶極相互作用是導(dǎo)致ZnO薄膜在玻璃襯底上c軸擇優(yōu)取向生長的因?yàn)?。而對于Zn2+濃度很低的前驅(qū)溶膠,晶粒間較大的距離削弱了偶極相互作用,致使ZnO晶粒的非極性a軸晶面更容易與非極性玻璃襯底結(jié)合,從而形成a軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜。
　　 MgO薄膜生長過程的MD模擬結(jié)果表明,隨著襯底溫度的升高,在襯底表面上沉積的MgO分子擴(kuò)散能力增強(qiáng),MgO薄膜層中空位缺陷變少。低溫下,分子入射能的增大有助于提高襯底表面覆蓋率；高溫下,表面覆蓋率