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ZnO多晶薄膜和纳米粉末的制备及表征

作　者: 张小庆
导　师: 雷天民
学　校: 西安理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 氧化锌多晶薄膜纳米粉末连续离子层吸附与反应法直接沉淀法
分类号: TB383
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

ZnO薄膜是一种具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的Ⅱ-Ⅵ化合物半导体材料,在透明电极、表面声波器件、紫外光探测器、压电器件、压敏器件、气敏传感器、光电子器件等方面具有广泛的用途。本文采用了连续离子层吸附与反应法（SILAR）在玻璃衬底上沉积ZnO多晶薄膜,并用X射线衍射仪（XRD）对薄膜样品进行结构分析,用透射电镜（SEM）测试表面形貌,测光致发光（PL）能谱和透射能谱分析光学性能,用四探针测其电导。结果显示:薄膜样品沿着（002）方向择优生长,具有较强的c轴择优取向;薄膜中晶粒排列致密、均匀,颗粒大小约为50纳米左右;薄膜样品中含的杂质比较少,纯度较高。通过PL光谱的分析,说明ZnO薄膜样品的发光光谱主要由三个峰组成,一个是位于2.72eV附近的蓝带,一个是位于3.09eV附近的强的紫带,还有一个是位于3.44eV的弱的紫外峰;透射光谱显示ZnO薄膜样品在λ约为380nm处出现紫外吸收;四探针测量结果表明样品经退火处理后,可能在450oC左右发生再结晶,薄膜的方块电阻随着退火温度的升高而减小。本论文还用直接沉淀法制备了纤锌矿结构的ZnO纳米粉末并分析了不同焙烧温度对ZnO纳米粉末晶粒的影响。检测结果显示粉末样品的颗粒大小为80nm左右。同时通过工艺比较,发现用ZnCl₂和NaOH为原料制备ZnO纳米粉末比用ZnCl₂和Na₂CO₃为原料制备ZnO纳米粉末的颗粒要小、粒度分布窄;用ZnCl₂和Na₂CO₃为原料制备的ZnO纳米粉末的分散较好;ZnCl₂溶液浓度控制在1mol/L左右比较适合ZnO纳米粉末的形成;在500 oC温度下焙烧效果较好。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 前言  7-18
  1.1 ZnO 薄膜的基本性能  7-8
    1.1.1 ZnO 薄膜的光电性能  7
    1.1.2 ZnO 薄膜的压电性能  7
    1.1.3 ZnO 薄膜的气敏性能  7-8
    1.1.4 ZnO 薄膜的压敏性质  8
  1.2 ZnO 薄膜的制备方法  8-14
    1.2.1 脉冲激光沉积(PLD)  8-9
    1.2.2 分子束外延(MEB)  9-10
    1.2.3 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)  10-11
    1.2.4 溶胶-凝胶法(SOL-GEL)  11-13
    1.2.5 电子束蒸发沉积  13
    1.2.6 喷雾热分解法  13
    1.2.7 射频溅射法  13-14
  1.3 ZnO 薄膜的应用  14-18
    1.3.1 压电器件  14-15
    1.3.2 太阳能电池  15-16
    1.3.3 气敏元件  16
    1.3.4 压敏器件  16
    1.3.5 紫外探测器  16-17
    1.3.6 发光器件  17-18
2 课题的提出及研究内容  18-21
  2.1 课题的提出  18-19
  2.2 课题的研究内容  19-21
    2.2.1 用SILAR 法制备ZnO 多晶薄膜  19-20
    2.2.2 用直接沉淀法制备ZnO 纳米粉末  20-21
3 ZnO 多晶薄膜的制备  21-27
  3.1 实验药品及设备  21
    3.1.1 实验药品  21
    3.1.2 实验设备  21
  3.2 方案设计及实验过程  21-27
    3.2.1 方案设计  21-23
    3.2.2 实验过程  23-24
    3.2.3 测试方法与表征手段  24-26
    3.2.4 实验流程示意图  26-27
4 ZnO 多晶薄膜的表征与分析  27-40
  4.1 对ZnO 薄膜在衬底上的形核的理论分析  27-28
  4.2 工艺参数对ZnO 多晶薄膜质量的影响  28-34
    4.2.1 衬底表面状态对组织结构的影响  29
    4.2.2 反应温度对薄膜质量的影响  29-30
    4.2.3 [Zn~(2+)]/NH_3·H_2O 摩尔浓度比对薄膜质量的影响  30-32
    4.2.4 前驱体[Zn（NH_3）_4]~(2+)浓度对薄膜质量的影响 #25  32-33
    4.2.5 杂质对薄膜质量的影响  33-34
  4.3 工艺参数优化后的ZnO 多晶薄膜的表征分析  34-37
    4.3.1 ZnO 多晶薄膜XRD 结果表征与分析  34-35
    4.3.2 ZnO 多晶薄膜SEM 结果表征与分析  35
    4.3.3 ZnO 多晶薄膜的光致发光(PL)谱  35-36
    4.3.4 ZnO 多晶薄膜的透射光谱  36-37
  4.4 退火温度对ZnO 薄膜性能的影响  37-39
    4.4.1 退火温度对ZnO组织结构的影响  37-39
    4.4.2 退火温度对ZnO电学性能的影响  39
  4.5 本章小结  39-40
5 ZnO纳米粉末的制备及表征分析  40-48
  5.1 ZnO纳米粉末的制备  40-41
    5.1.1 实验药品及设备  40
    5.1.2 实验过程  40-41
    5.1.3 实验流程示意图  41
  5.2 直接沉淀法的机理分析  41-42
    5.2.1 影响晶粒生长的因数  41-42
    5.2.2 晶核生长速率  42
    5.2.3 晶体生长速率  42
  5.3 ZnO 纳米粉末的表征与分析  42-45
    5.3.1 ZnO 纳米粉末的XRD 分析  42-44
    5.3.2 ZnO 纳米粉末SEM 分析  44
    5.3.3 两种不同原料制备制备的样品分析  44-45
  5.4 工艺参数对 ZnO 纳米粉末的影响  45-47
    5.4.1 不同 ZnCl_2溶液浓度对ZnO 晶粒的影响  45-46
    5.4.2 不同焙烧温度对 ZnO 晶粒的影响  46
    5.4.3 不同工艺过程对组织的影响  46-47
  5.5 本章小结  47-48
6 结论  48-49
参考文献  49-52
致谢  52

ZnO多晶薄膜和纳米粉末的制备及表征

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