ZnO納米材料的制備及其特性研究.pdf

1、ZnO是寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，由于其光電特性受缺陷影響較小，激子束縛能較高(60meV,GaN為25meV)，體材料可得，生長(zhǎng)溫度較低(可在200-700℃左右成膜，比GaN低幾百度)，并且材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，而成為繼GaN之后在光電研究領(lǐng)域，極有希望用于紫外和藍(lán)色發(fā)光器件的新型光電子材料。ZnO薄膜具有良好的透明導(dǎo)電性、壓電性、光電性、氣敏性、壓敏性、且易于與多種半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)集成化。由于這些優(yōu)異的性質(zhì)，使其具有廣泛的用

2、途和許多潛在用途，如制作紫外探測(cè)器、紫外發(fā)光管和激光器、高頻表面聲波器件、透明導(dǎo)電電極、微型傳感器等，其在航天、通訊、衛(wèi)生等高新技術(shù)領(lǐng)域和廣闊民用領(lǐng)域都具有廣泛的用途。 制備ZnO薄膜的方法有很多，包括：磁控濺射(sputtering)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、原子層外延(ALE)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電子束蒸發(fā)沉積(e-beamevaporation)、噴涂熱解法(spraypyrolys

3、is)、溶膠-凝膠法(Sol-gel)、脈沖激光沉積(pulsedlaserdeposition，PLD)法等。激光脈沖沉積是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，它是在高真空背景下用高能激光燒蝕ZnO靶材生成蒸發(fā)物淀積在加熱襯底上生長(zhǎng)晶體薄膜的。脈沖激光沉積法與其它沉積方法相比有沉積時(shí)可以有較高的氧氣壓強(qiáng)，薄膜生長(zhǎng)溫度低等優(yōu)點(diǎn)。 本論文是采用脈沖激光沉積的方法，在單晶Si(111)襯底上外延生長(zhǎng)了沿c軸高度取向的ZnO薄膜。本文

4、分析研究了薄膜生長(zhǎng)條件(不同的襯底溫度、不同的入射激光能量密度和不同的氧氣壓強(qiáng))對(duì)ZnO薄膜性質(zhì)的影響。通過(guò)X射線(xiàn)衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、光致發(fā)光和拉曼(Raman)散射技術(shù)對(duì)不同條件下生長(zhǎng)的ZnO薄膜的性質(zhì)進(jìn)行了研究。 在其它參量保持不變的情況下，通過(guò)改變襯底溫度來(lái)研究它對(duì)ZnO薄膜的影響。結(jié)果顯示，較高的溫度時(shí)生長(zhǎng)的薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)量，最佳生長(zhǎng)溫度為400℃。薄膜的光致發(fā)光譜中有兩條發(fā)

5、光峰，一條為紫外峰，另一條為藍(lán)光峰。紫外峰的強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴(lài)于薄膜的結(jié)晶度。藍(lán)光峰是由氧空位引起的，其強(qiáng)度隨襯底溫度的升高變強(qiáng)。原因是，較高的溫度會(huì)導(dǎo)致薄膜中氧原子的脫附，從而導(dǎo)致薄膜中氧空位增多，所以藍(lán)光峰的強(qiáng)度變強(qiáng)。 在保持其它實(shí)驗(yàn)參量不變的條件下，通過(guò)改變?nèi)肷浼す饽芰棵芏葋?lái)研究它對(duì)ZnO薄膜結(jié)晶性以及發(fā)光性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入射激光能量密度為62.5J/cm2時(shí)，薄膜有最好的結(jié)晶度。通過(guò)光致發(fā)光譜結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入射激光能量密度的

6、提高會(huì)增強(qiáng)藍(lán)光峰的發(fā)光強(qiáng)度。入射激光能量密度的提高會(huì)加快ZnO薄膜與Si襯底之間相互擴(kuò)散速度，形成更多的SiO2從而增加薄膜中的氧空位，所以藍(lán)光發(fā)光峰的強(qiáng)度變強(qiáng)。 在不同的氧氣壓強(qiáng)下制備了ZnO薄膜，并采用X射線(xiàn)衍射、原子力顯微鏡(AFM)和拉曼光譜儀研究了它的結(jié)構(gòu)特性、表面形貌和拉曼光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著氧氣壓強(qiáng)的增加，(002)衍射峰的強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，而半高全寬迅速變窄，薄膜質(zhì)量提高。通過(guò)對(duì)拉曼光譜的分析，我們發(fā)現(xiàn)氧氣壓強(qiáng)對(duì)薄膜