学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示
一些简单氧化物半导体薄膜的LIV效应及其输运性质研究
作 者: 周小芳
导 师: 张鹏翔
学 校: 昆明理工大学
专 业: 材料物理与化学
关键词: SnO2薄膜 TiO2薄膜 ZnO薄膜 激光感生电压效应(LIV) 电阻(R)-温度(T)关系曲线 大功率激光 输运性质
分类号: TB383.2
类 型: 博士论文
年 份: 2010年
下 载: 102次
引 用: 0次
阅 读: 论文下载
内容摘要
ZnO、SnO2、TiO2是典型的新一代宽禁带氧化物半导体材料,室温下具有很宽的禁带宽度,基本上都在3eV以上,另外,它们具有很高的激子束缚能,优异的光电特性,在光催化、表面声波器件、液晶显示、气体传感器和光电探测器件等领域有着广泛地的应用,目前已成为半导体材料的研究热点。本论文利用脉冲激光沉积(PLD)技术制备了ZnO、SnO2、TiO2以及Co掺杂ZnO、Ag掺杂ZnO薄膜,并对其制备工艺进行了优化,利用XRD、Raman光谱、PL谱、SEM、激光感生电压(LIV)效应和R-T曲线关系行为研究了不同生长工艺对PLD技术制备的薄膜结构和输运性质的影响,主要的研究工作及结果如下:1.Sn02薄膜结构和输运性质的研究利用PLD方法在Al203衬底(0001)面生长了纯Sn02薄膜和α轴高度取向的Fe掺杂Sn02薄膜。利用XRD和单0摇摆曲线对薄膜的结构进行表征,结果表明Sn02薄膜是高质量的近外延薄膜。采用248nm脉冲激光作激发源,测试其激光感生电压(LIV),发现Sn02是一种新的原子层热电堆材料,当激光能量密度为100mJ/cm2时,峰值电压最大为4V,薄膜的峰值电压与入射激光能量密度呈现较好的线性关系,上升沿时间约为28ns,响应时间约为98ns。另外发现Sn02薄膜在紫外脉冲激光作用下具有较高的抗击打能力。R-T曲线关系表明Sn02薄膜热稳定性强,其TCR值较小。2.Si衬底上ZnO薄膜的生长及其结构和输运性质的研究在Si(111)衬底上制备了单一c轴取向的ZnO薄膜,研究了衬底温度,氧压,激光能量和沉积时间等生长条件对ZnO薄膜结晶质量的影响,分析了这些影响产生的原因,并利用优化的生长条件制备出了高质量的ZnO薄膜,其(002)峰的单θ摇摆曲线半高宽为0.2°。利用Raman和PL光谱研究了不同衬底温度和不同退火氧气氛下生长的ZnO薄膜的结晶质量和发光特性。研究结果表明,衬底温度较高条件下生长的薄膜,其结晶质量明显优于温度低时生长的样品,其中结晶质量高的样品出现6阶E1(LO)拉曼共振谱;PL谱结果表明,ZnO薄膜的紫外发射光谱与它的结构及结晶质量有着非常密切的关系。采用248nm脉冲激光作激发源,测试其LIV信号,发现ZnO薄膜也是原子层热电堆材料,上升沿时间约为1ns,响应时间约为58ns,LIV信号的峰值在能量密度为100mJ/cm2的激光辐照下,达到0.18V,且有饱和的趋势。在波长为248nm,光子通量约为3×1022/(s.mm2)的激光能量辐照下,ZnO薄膜具有较强的抗击打能力。R-T曲线表明ZnO薄膜是一种具有重要应用价值的电阻-温度系数材料,其TCR最高达到-13% K-1。目前国内外尚未见到相关报道。3.Al203上生长Zn0薄膜及其输运性质的研究在Al203衬底上,利用PLD方法在不同的衬底温度和不同的氧分压下生长了高度单一c轴取向的ZnO薄膜。XRD结果表明衬底温度和氧分压对ZnO薄膜的生长模式和结晶质量有很大的影响。X射线单0摇摆曲线结果表明利用PLD方法以Al203为衬底,在优化条件下制备的ZnO薄膜的(002)衍射峰的半高宽仅为0.2°,已经达到了单晶水平。LIV信号的峰值在300mJ单脉冲激光能量辐照为0.3V,薄膜的峰值电压与入射激光能量密度呈现较好的线性关系,上升沿时间为33ns左右,响应时间约为167ns。4.Co掺杂对ZnO薄膜结构和输运性质的研究利用PLD方法在Si(111)衬底上生长了c轴高度取向的Co掺杂ZnO薄膜。利用XRD和摇摆曲线对Co掺杂的ZnO薄膜的结构进行了表征。XRD结果表明Co进入了ZnO的晶格,处在Zn2+的替代位置形成了Zn1-xCoxO合金薄膜。采用248nm脉冲激光作激发源,测试其LIV信号,相同条件下,峰值电压最大为0.5V,响应时间177ns。另外发现在光子通量约为3×1022/(s.mm2)的激光能量辐照下,ZnO薄膜具有较强的抗击打能力。R-T曲线表明ZnO薄膜在电阻-温度系数材料中有重要意义,其TCR达到-20% K-1,是迄今发现的TCR值最高的材料。5.Ag掺杂对ZnO薄膜结构和输运性质的影响利用PLD方法在Si(111)衬底上生长了c轴高度取向的Ag掺杂ZnO薄膜。利用XRD对Ag掺杂的ZnO薄膜的结构进行了表征。XRD结果表明Ag进入了ZnO的晶格,处在Zn2+的替代位置形成了Zn1-xAgxO合金薄膜。发现Ag的掺入,大大提高了ZnO薄膜的LIV信号峰值,相同条件下,峰值电压接近2V,其响应速度随着掺杂量的增大而降低。在光子通量约为3×1022/(s.mm2)的激光能量辐照下,Zn1-xAgxO薄膜也具有较高的抗击打能力。R-T曲线表明Zn1-xAgxO薄膜有望用于Bolometer,其TCR达到-17.5%K-1。6.TiO2薄膜结构和输运性质的研究在A1203和LaAlO3衬底上分别制备了Ti02薄膜,用X射线(20和单0扫描)对样品的结构分析表明生长在Al203衬底上的Ti02薄膜具有金红石结构,且具有沿a轴的单一取向,Ti02薄膜(200)晶面的对称中心0=19.71°,半高宽FWHM为0.19°,薄膜是具有很高结晶质量的单晶膜,具有较大的电阻温度系数(-6.3%K-1);而生长在LaAlO3衬底上的Ti02薄膜具有锐钛矿结构,且具有沿c轴的单一取向。锐钛矿Ti02薄膜(004)晶面衍射峰较为尖锐,对称中心0=18.84°,衍射峰的半高宽FWHM为0.27°,呈现出很好的结晶性,薄膜的电阻温度系数较低,具有良好的热稳定性。LIV信号测试表明金红石型Ti02薄膜具有LIV效应,是一种新的原子层热电堆材料。Al203倾斜衬底上生长的薄膜,其LIV信号峰值为1.58V,响应时间为395ns。金红石型Ti02薄膜的抗激光轰击能力较强。
|
全文目录
摘要 7-9 Abstract 9-12 第一章 绪论 12-48 1.1 激光感生电压效应的发现及研究现状 12-16 1.2 激光感生电压效应的起源 16-31 1.2.1 光电效应 16-17 1.2.2 光电导 17 1.2.3 光生伏特效应 17-18 1.2.4 丹倍效应 18-20 1.2.5 Seebeck效应 20-30 1.2.5.1 金属材料的热电势 22-26 1.2.5.2 半导体材料的热电势 26-30 1.2.6 各向异性Seebeck效应 30-31 1.3 LIV效应的应用 31-32 1.4 脉冲激光沉积(PLD)技术 32-38 1.4.1 PLD镀膜系统及沉积过程 33-34 1.4.2 PLD制备薄膜的主要影响因素 34-37 1.4.2.1 衬底温度 35 1.4.2.2 激光能量密度 35-36 1.4.2.3 气压及气氛 36 1.4.2.4 衬底到靶材的距离 36 1.4.2.5 组份的影响 36-37 1.4.3 PLD技术镀膜特点 37-38 1.4.4 PLD法制备氧化物半导体薄膜的工艺流程及过程控制 38 1.5 LIV效应的实验研究方法 38-39 1.6 R-T曲线的实验研究方法 39-42 1.6.1 电阻-温度关系测量 39 1.6.2 测量原理及组建系统 39-41 1.6.2.1 四探针法 40 1.6.2.2 电极的制备 40-41 1.6.3 微测辐射热仪(Bolometer) 41-42 1.7 论文课题的提出、研究目的及意义 42-47 1.8 本章小结 47-48 第二章 SnO_2薄膜的LIV及其输运性质研究 48-72 2.1 引言 48-49 2.2 SnO_2薄膜的性质 49-51 2.2.1 SnO_2薄膜的结构性质 49-50 2.2.2 SnO_2薄膜的电学性质 50-51 2.3 SnO_2薄膜的制备 51-53 2.3.1 Sn_(1-x)Fe_xO多晶靶材的合成 51-52 2.3.2 Sn_(1_x)Fe_xO薄膜的生长 52-53 2.4 Sn_(1-x)Fe_xO薄膜生长工艺的优化 53-60 2.4.1 纯SnO_2薄膜生长工艺的优化 53-58 2.4.1.1 衬底材料对SnO_2薄膜结构性质的影响 53-55 2.4.1.2 衬底温度对SnO_2薄膜的影响 55-56 2.4.1.3 沉积时间对SnO_2薄膜结构的影响 56-58 2.4.2 掺Fe:SnO_2薄膜生长工艺的优化 58-60 2.5 SnO_2薄膜中的LIV效应 60-66 2.5.1 生长温度对LIV效应的影响 60-63 2.5.1.1 SnO_2/MgO薄膜的LIV效应 60-62 2.5.1.2 SnO_2/Al_2O_3薄膜的LIV效应 62-63 2.5.2 倾斜角度对LIV效应的影响 63-64 2.5.3 退火氧压对LIV效应的影响 64-65 2.5.4 沉积时间对LIV效应的影响 65-66 2.6 SnO_2薄膜R-T关系行为研究 66-67 2.7 激光对薄膜结构稳定性的影响 67-69 2.8 本章小结 69-72 第三章 TiO_2薄膜的LIV及其输运性质研究 72-94 3.1 引言 72-73 3.2 TiO_2的晶体结构与性能 73-76 3.2.1 TiO_2的晶体结构 73-76 3.2.2 TiO_2的能带结构 76 3.3 TiO_2薄膜的制备 76-78 3.3.1 TiO_2多晶靶材的合成 76-77 3.3.2 TiO_2薄膜的生长 77-78 3.4 TiO_2薄膜生长条件的优化 78-83 3.4.1 Al_2O_3(0001)衬底上生长TiO_2薄膜的结构性质 78-79 3.4.2 LaAlO_3(100)衬底上生长TiO_2薄膜的结构性质 79-81 3.4.3 TiO_2薄膜的单θ扫描分析 81-83 3.5 TiO_2薄膜中的LIV效应 83-87 3.5.1 激光能量对LIV的影响 83-85 3.5.2 衬底温度对LIV的影响 85-87 3.6 TiO_2薄膜中的R-T关系行为研究 87-89 3.7 强激光对薄膜结构稳定性的影响 89-92 3.8 本章小结 92-94 第四章 ZnO薄膜的LIV及其输运性质研究 94-134 4.1 引言 94-95 4.2 ZnO的结构特性 95-96 4.3 ZnO薄膜的生长 96-101 4.3.1 靶材的准备 96-97 4.3.2 薄膜的制备 97-101 4.3.2.1 衬底的选择 97-100 4.3.2.2 靶材与衬底的安装 100 4.3.2.3 薄膜生长 100-101 4.3.2.4 退火处理 101 4.4 ZnO薄膜的XRD结构分析 101-105 4.4.1 ZnO薄膜θ-2θ扫描分析 101-102 4.4.2 ZnO薄膜单θ扫描分析 102-103 4.4.3 ZnO薄膜的SEM形貌观察 103-104 4.4.4 ZnO薄膜拉曼光谱和PL谱表征 104-105 4.4.4.1 拉曼光谱分析 104 4.3.4.2 PL谱分析 104-105 4.5 ZnO薄膜生长条件的优化 105-116 4.5.1 衬底温度对ZnO薄膜结构的影响 106-109 4.5.2 生长氧压对ZnO薄膜质量的影响 109-111 4.5.3 退火氧压对ZnO薄膜结晶质量的影响 111-115 4.5.4 沉积时间对薄膜质量的影响 115-116 4.6 ZnO薄膜的输运性质研究 116-130 4.6.1 ZnO薄膜中的LIV效应 117-118 4.6.2 LIV信号研究 118-124 4.6.2.1 生长温度对LIV信号的影响 119-120 4.6.2.2 退火氧压对LIV信号峰值的影响 120-122 4.6.2.3 退火氧压对LIV信号响应时间的影响 122-124 4.6.3 ZnO薄膜中高TCR的发现 124-130 4.6.3.1 衬底温度对R-T曲线(TCR)的影响 126-128 4.6.3.2 生长氧压对R-T曲线(TCR)的影响 128-130 4.7 强激光对薄膜结构稳定性的影响 130-131 4.8 本章小结 131-134 第五章 Zn_(1-x)Co_xO薄膜的LIV及其输运性质研究 134-160 5.1 引言 134-135 5.2 Zn_(1-x)Co_xO薄膜的制备 135-139 5.2.1 Zn_(1-x)Co_xO多晶的合成 135-136 5.2.2 晶格常数的计算 136-138 5.2.3 Zn_(1-x)Co_xO薄膜的生长 138-139 5.3 Zn_(1-x)Co_xO薄膜生长工艺的优化 139-146 5.3.1 衬底温度及掺杂量对薄膜结构的影响 139-141 5.3.2 退火氧压对薄膜结构的影响 141-142 5.3.3 沉积氧压对薄膜结构的影响 142-143 5.3.4 沉积时间对薄膜结构的影响 143-146 5.4 Zn_(1-x)Co_xO薄膜中的LIV效应 146-149 5.4.1 Zn_(1-x)Co_xO薄膜中Co掺杂对LIV效应的影响 146-148 5.4.2 Z_(0.995)Co_(0.005)O薄膜厚度对LIV效应的影响 148-149 5.5 Zn_(1-x)Co_xO薄膜中高TCR)的发现 149-156 5.5.1 温度对R-T曲线(TCR)的影响 150-153 5.5.2 衬底对R-T曲线(TCR)的影响 153-154 5.5.3 掺杂量对R-T曲线(TCR)的影响 154-155 5.5.4 氧压对R-T曲线的影响 155-156 5.6 Zn_(1-x)Co_xO薄膜抗激光击打实验研究 156-157 5.7 本章小结 157-160 第六章 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜的LIV及其输运性质研究 160-182 6.1 引言 160-161 6.2 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜的制备 161-163 6.2.1 掺银ZnO多晶靶材的制备 161-162 6.2.2 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜的生长 162-163 6.3 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜生长工艺的优化 163-169 6.3.1 衬底温度及掺杂量对薄膜结构的影响 163-166 6.3.2 生长氧压对薄膜结构的影响 166-167 6.3.3 退火氧压对薄膜质量的影响 167-169 6.4 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜中的LIV信号测量 169-172 6.4.1 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜中Ag掺杂量对LIV效应的影响 169-171 6.4.2 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜中Ag掺杂量对响应时间的影响 171-172 6.5 Zn_(1-x)Ag-xO薄膜中高TCR的发现 172-178 6.5.1 温度及掺杂量对R-T关系行为的影响 172-178 6.5.2 退火氧压对R-T关系行为的影响 178 6.6 Zn_(1-x)Ag_xO薄膜的抗激光击打实验研究 178-180 6.7 本章小结 180-182 第七章 结论与展望 182-185 7.1 论文的主要研究工作与重要结论 182-183 7.2 论文工作的主要创新点 183 7.3 未来工作的展望 183-185 参考文献 185-192 博士期间发表的论文 192-193 致谢 193
|
相似论文
- 纳米TiO2光催化复合薄膜的制备与表征,TB383.2
- 一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究,TB383.1
- 溶胶—凝胶法制备p型ZnO薄膜,O484.1
- TiO2纳米薄膜胶溶法制备及其光催化应用研究,TB383.2
- 超声喷雾热解法ZnO薄膜的制备及其性能研究,TB43
- 适合声表面波谐振器的ZnO薄膜研究,TN304.055
- ZnO薄膜电致发光的探索,O484.41
- 钛氧化物功能薄膜的制备及其性能研究,TB383.2
- 玻璃基ZnO基薄膜的喷雾热分解法制备和表征,TB383.2
- 玻璃基(SnO_2:Sb)-(CeO_2-TiO_2)防静电与紫外线截止双功能薄膜的制备及表征,TB383.2
- 半导体纳米材料制备与性能研究,TB383.1
- 介孔ZnO材料的制备及气敏性能的研究,TB383.2
- 聚硅烷电子输运性质的理论研究,O634.41
- 电磁调制单层石墨烯体系中的电子输运性质,O613.71
- 酶-CdSe-TiO_2光/酶混合生物燃料电池,TM911.4
- 薄膜太阳能电池窗口材料SnO_2的PECVD制备及其性能研究,TM914.42
- Fe_3O_4基异质结的微观结构、磁性和输运性质,TN304.21
- 有序介孔二氧化钛薄膜的制备、表征及光催化活性,O484.1
- 生物医用TiNi形状记忆合金的制备及性能研究,TG139.6
- Sn:In_2O_3和Nb:TiO_2透明导电薄膜的结构和电输运性质研究,TB383.2
- 可见光响应纳米TiO_2薄膜的制备及其光催化性能的研究,TB383.2
中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
© 2012 www.xueweilunwen.com
|