ZnO基材料的制備和性能研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為3.37eV，激予束縛能高達(dá)60meV。這些特性使ZnO可望在室溫下產(chǎn)生很強(qiáng)的紫外光致激子發(fā)射，有利于研制ZnO基高效率發(fā)光二極管(LED)、紫外光探測(cè)器、以及激光二極管(LD)等短波長(zhǎng)光電子器件。目前，有關(guān)ZnO材料的研究主要集中于ZnO基薄膜的光電子器件、能帶結(jié)構(gòu)工程，以及ZnO納米顆粒的氣敏、光敏特性方面。盡管Ⅲ族元素?fù)诫sZnO薄膜已逐漸開(kāi)始應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，摻Al和摻Ga

2、的ZnO薄膜被大量的研究，但其電阻率還不能滿(mǎn)足高性能光電子器件的要求(～10-6Ω·cm)。另一方面，In摻雜ZnO薄膜的研究相對(duì)較少，其有關(guān)透明導(dǎo)電薄膜以及共摻雜制備p型ZnO方面還需進(jìn)一步研究。與此同時(shí)，制備帶隙可調(diào)的MgxZn1-xO薄膜，以及以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的量子阱結(jié)構(gòu)是ZnO基能帶工程研究的最重要環(huán)節(jié)，有關(guān)此方面的研究還處于初始階段。除ZnO基薄膜外，ZnO納米顆粒在光化學(xué)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景，受到了大量的關(guān)注和研究，其在高溫

3、合成方面報(bào)道的還較少，需要更多的探索和研究。 為有效提高In在ZnO中的摻雜效率，本論文利用直流磁控反應(yīng)濺射方法在富氧氣氛中制備ZnO：In薄膜。實(shí)驗(yàn)表明，利用直流磁控反應(yīng)濺射法，In原子不易摻入ZnO薄膜，制備的薄膜質(zhì)量較差。隨著襯底溫度的升高，薄膜的質(zhì)量得到改善，然而還是難以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求：高含量In摻入ZnO薄膜，導(dǎo)致帶隙寬度減小，抑制了紫外區(qū)域的帶邊發(fā)光，此性能研究目前還鮮有報(bào)道；薄膜中的載流子遷移率很低，致使薄膜的

4、電導(dǎo)率較低。 制備帶隙可調(diào)的高質(zhì)量MgxZn1-xO薄膜是實(shí)現(xiàn)ZnO基能帶工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本論文采用直流磁控反應(yīng)濺射方法在不同襯底上生長(zhǎng)MgxZn1-xO薄膜，并對(duì)其進(jìn)行后退火處理研究。研究發(fā)現(xiàn)，濺射氣氛中的氧分壓對(duì)薄膜中的Mg含量影響很大，Mg的引入有利于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，提高薄膜中的氧含量。O2/Ar+O2=0.6氣氛下制備的MgxZn1-xO薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好，薄膜中的氧含量最大，帶隙寬度值最大。后退火處理可有效改善薄膜的

5、結(jié)晶質(zhì)量，降低薄膜中的缺陷數(shù)目，提高薄膜的帶邊發(fā)光，同時(shí)減弱由缺陷引起的可見(jiàn)光發(fā)光。隨著退火溫度的升高，薄膜中的相對(duì)Mg濃度升高，相應(yīng)的帶隙寬度增大。 由于ZnO納米顆粒的應(yīng)用日益廣泛，其特性研究顯得越來(lái)越重要，高溫的火焰噴霧法制備ZnO基納米顆粒還未見(jiàn)報(bào)道。本論文利用火焰噴霧法制備ZnO納米顆粒，并首次報(bào)道了MgxZn1-xO和InyZn1-yO納米顆粒的制備和光學(xué)性能研究。結(jié)果表明，溶液濃度對(duì)顆粒的粒徑大小和分布有著重要的影

6、響，溶液濃度越小，粒徑越小，分布越均勻。通過(guò)一系列物理分散后，可以得到分散均勻的ZnO納米顆粒，發(fā)光譜顯示薄膜缺陷引起的發(fā)光很弱，此可能與制備過(guò)程中的高溫有關(guān)。此外，MgxZn1-xO納米顆粒的帶隙寬度增大，室溫下帶邊處發(fā)光峰能量增大，發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)；InyZn1-yO納米顆粒的帶隙寬度減小，光學(xué)性能變差。 以上是本論文進(jìn)行的主要研究工作，其不僅豐寓了不同結(jié)構(gòu)ZnO材料的制備和特性研究，還有助于推動(dòng)ZnO基材料的應(yīng)用化和產(chǎn)業(yè)化。