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PLD制备掺铜ZnO薄膜结构与光学性质研究

作　者: 赵涛
导　师: 李清山
学　校: 曲阜师范大学
专　业: 物理电子学
关键词: 薄膜 掺铜ZnO PLD X射线衍射 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


氧化锌(ZnO)是直接带隙宽禁带半导体材料,具有六角纤锌矿结构,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV,因其非常优越的光电性能以及在光电子器件中的巨大应用价值而被誉为“二十一世纪半导体”。非掺杂ZnO通常是一种典型的n型半导体,这归结于ZnO中的结构缺陷。然而,对ZnO进行不同元素的掺杂并研究其掺杂后的各种性质日趋成为热点。本论文采用KrF准分子脉冲激光沉积技术,系统地研究了掺铜ZnO薄膜的制备、结构及光学性质。论文的主要内容有：在背底真空2.0×10-5Pa下,衬底温度分别选用室温、100℃、200℃、300℃、400℃制备掺铜ZnO薄膜。样品的X射线衍射(XRD)谱表明,所有样品均出现了ZnO(002)晶面衍射峰,且没有出现其它衍射峰。这说明我们制备的样品具有六角纤锌矿结构,薄膜具有高度C轴择优取向。同时样品中只有(002)衍射峰,这也表明Cu离子在薄膜中没有形成新的化合物,而是以杂质的形式存在于ZnO薄膜中。样品衍射角比标准ZnO结构的衍射角略低,这可能是因为Cu离子以替位式杂质存在于薄膜中,从而引起晶格畸变造成的。随着衬底温度的升高,样品的(002)衍射峰变得越来越尖锐,强度也逐渐增强。固定衬底温度400℃不变,然后分别在2.0×10-2Pa、2.0经10-1Pa、2.0×100Pa及2.0×101Pa的氧压下制备样品。XRD谱图显示,不同氧压下制备的掺铜ZnO薄膜均存在唯一的、尖锐的ZnO(002)衍射峰,没有发现其它的峰。由此可以判断Cu离子的掺杂位置位于ZnO晶格中,没有形成其它结晶氧化物。在2.0×10-1Pa氧压下样品的半高宽最小,晶粒尺寸最大。分析认为,在此氧压下制备的样品中,氧元素得失基本保持平衡,薄膜结晶质量较好。样品的光致发光谱表明,所有样品均在378nm附近出现了强的紫外光发射,对应能量为3.28eV,为近带边的自由激子复合发光。同时发现以475nm为中心有一个蓝光发光带,对应能量为2.62eV。分析认为以475nm为中心的蓝光发光带来源于样品中的导带到锌空位的复合跃迁和锌填隙缺陷能级到价带顶能级之间的复合跃迁,属于可见光区的深能级发射(DL)。在氧压为2.0×10-1Pa,衬底温度为400℃,统一退火1小时的条件下,改变退火温度分别为450℃、500℃、550℃、600℃制备样品。XRD结果显示,退火温度为500℃时,样品半高宽较小,晶粒尺寸较大,表明薄膜结晶质量较高。PL谱表明,随着退火温度的升高,掺铜ZnO薄膜样品的DL发射明显减小。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 掺铜ZnO薄膜材料研究综述  8-12
  1.1 引言  8-9
  1.2 氧化锌材料的结构和性质  9
  1.3 掺铜ZnO薄膜的性质及应用  9-10
  1.4 掺铜ZnO薄膜的研究进展  10
  1.5 本课题研究的主要内容与意义  10-12
第二章 掺铜ZnO薄膜的制备方法和表征手段  12-20
  2.1 掺铜ZnO薄膜的制备方法简介  12-13
  2.2 脉冲激光沉积(PLD)技术  13-16
  2.3 掺铜ZnO薄膜的制备过程  16-17
  2.4 掺铜ZnO薄膜的测量手段  17-20
第三章 生长参数对掺铜ZnO薄膜结构和光学性质的影响  20-30
  3.1 引言  20-21
  3.2 衬底温度对掺铜ZnO薄膜结构及表面形貌的影响  21-23
  3.3 生长氧压对掺铜ZnO薄膜结构及光学性质的影响  23-26
  3.4 退火温度对掺铜ZnO薄膜结构及光学性质的影响  26-28
  3.5 小结  28-30
第四章 掺铜ZnO薄膜制备研究方向  30-33
  4.1 引言  30
  4.2 研究方向  30-32
  4.3 小结  32-33
全文总结  33-34
参考文献  34-40
发表论文  40-41
致谢  41

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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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