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Zn缓冲层对ZnO薄膜的结构和光学特性的影响

作 者: 贾迎飞
导 师: 马书懿
学 校: 西北师范大学
专 业: 凝聚态物理
关键词: ZnO薄膜 缓冲层 磁控溅射 光致发光
分类号: O484.41
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


ZnO是一种新型的直接带隙宽禁带半导体,室温禁带宽度约为3.37eV,激子束缚能高达60meV,可以实现室温紫外激光发射。在大气条件下,ZnO具有六方纤锌矿结构。作为新一代的宽带半导体材料,ZnO具有优异的光学、电学及压电特性,在发光二极管、光探测器、电致荧光器件、透明导电薄膜、表面声波器等诸多领域有着广泛的应用。ZnO薄膜的制备方法主要有:磁控溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积、喷雾热分解、溶胶-凝胶法等。磁控溅射法由于具有设备简单、成本低、易操作、沉积率高、对基底温度的要求相对较低且薄膜的附着性好,其成分在一定程度上可控等优点而被广大研究者广泛采用。本论文通过磁控溅射方法进一步研究了Zn缓冲层的厚度对ZnO薄膜的结构及光学特性的影响,从而为ZnO薄膜的应用提供一些实验数据和理论基础。主要研究结果如下:1.使用射频磁控溅射法,在玻璃基片上制备有Zn缓冲层的ZnO薄膜。Zn缓冲层的沉积时间从5 Min变化到15 Min,研究了Zn缓冲层厚度对ZnO薄膜的晶体结构和光学特性的影响。XRD的结果表明有Zn缓冲层的ZnO薄膜是六角纤锌矿结构,并且随着Zn缓冲层溅射时间的增加,ZnO(002)衍射峰的半高宽逐渐减小,表明ZnO薄膜的结晶质量得到改善。光致发光(PL)谱表明,当Zn缓冲层的沉积时间为15分钟时,在其上生长的ZnO薄膜最适合作为蓝光发射材料。与此同时,在室温PL谱中占优势的435nm的蓝光发射主要是由锌填隙形成的浅施主能级到价带顶的电子跃迁引起的,530nm的绿光发射主要是由氧空位引起的。2.在Si(100)基底上制备具有c轴高择优取向的ZnO/Zn/Si(100)薄膜,研究了缓冲层厚度的变化对ZnO薄膜微观结构及其光致发光特性的影响。(1)随着Zn缓冲层厚度的增加,所制备样品的(002)衍射峰的半高宽先减小到沉积时间为10Min、15Min的0.071°然后逐渐增大到沉积时间为25Min的0.118°,Zn缓冲层厚度沉积时间为0 Min、10 Min、15 Min、25 Min时薄膜对应的平均晶粒尺寸分别为15.196, 115.344, 115.338,和69.402 nm。当沉积时间分别为0 Min、10 Min、15 Min、25 Min的样品在氧气中退火后的室温光致发光谱,在发光谱中观察到三个主要的发射峰425(2.92eV), 480(2.58eV),和525(2.36eV)。随Zn缓冲层沉积时间的增加,蓝峰和绿峰的强度先增强后减小。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章 绪论  10-22
  1.1 ZnO材料的基本性质  11-14
    1.1.1 ZnO的结构性质  11-12
    1.1.2 ZnO的能带结构  12-13
    1.1.3 ZnO的光电性质  13-14
    1.1.4 ZnO的其他性质  14
  1.2 ZnO材料的研究进展及其研究现状  14-17
    1.2.1 优质ZnO薄膜的外延生长  14-15
    1.2.2 p 型ZnO薄膜的研究  15
    1.2.3 掺杂对ZnO薄膜的光学、电学、磁学等特性进行改性  15-16
    1.2.4 ZnO纳米薄膜  16-17
  1.3 ZnO薄膜的应用  17-19
    1.3.1 与GaN互做缓冲层  17
    1.3.2 紫外光探测器  17
    1.3.3 表面声波器件  17-18
    1.3.4 太阳能电极  18
    1.3.5 透明导电膜  18
    1.3.6 气敏传感器  18-19
  1.4 本文选题背景和主要研究内容  19-20
  参考文献  20-22
第二章 ZnO 薄膜的制备和表征方法  22-37
  2.1 ZnO 薄膜的制备方法  22-25
    2.1.1 金属有机化学气相沉积(MOCVD)  22-23
    2.1.2 脉冲激光沉积 (PLD)  23
    2.1.3 分子束外延 (MBE)  23-24
    2.1.4 溶胶-凝胶 (Sol-Gel)法  24
    2.1.5 金属有机化学气相沉积 (MOCVD)  24-25
  2.2 ZnO 薄膜样品的制备  25-36
    2.2.1 磁控溅射的基本原理  25-28
    2.2.2 溅射率  28-29
    2.2.3 磁控溅射法的优点  29
    2.2.4 磁控溅射的特点  29-30
    2.2.5 ZnO 薄膜的制备  30-36
  参考文献  36-37
第三章 玻璃基底、Zn 缓冲层对ZnO 薄膜特性的影响  37-43
  3.1 Zn 缓冲层对ZnO 薄膜结晶特性的影响  37-40
  3.2 不同厚度的Zn 缓冲层对ZnO 薄膜光致发光特性的影响  40-41
  3.3 本章小结  41-42
  参考文献  42-43
第四章 Zn 缓冲层对ZnO/Zn/Si (100) 薄膜特性的影响  43-49
  4.1 射频磁控溅射ZnO/Zn/Si (100) 薄膜的实验制备及形貌结构  43-47
  4.2 本章小结  47-48
  参考文献  48-49
第五章 总结与展望  49-51
  5.1 总结  49
  5.2 展望  49-51
致谢  51-52
附录:攻读硕士学位期间发表的论文  52

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的性质 > 光学性质
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