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离子注入Si基片生长ZnO纳米团簇及其对ZnO薄膜生长行为的影响

作　者: 付伟佳
导　师: 张庆瑜
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: ZnO纳米团簇 ZnO薄膜表面形貌生长行为微观结构
分类号: O614.241
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

ZnO具有纤锌矿晶体结构,是一种新型的直接带隙宽带半导体,其禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,可以实现室温下的激子发射。ZnO薄膜可在低于600℃的温度下获得,较GaN,SiC和其它Ⅱ—Ⅳ族半导体宽禁带材料的制备温度低很多,这些特点使ZnO具备了作为室温短波长光电子材料的必备特征。因此,ZnO薄膜是一种具有希望的短波光电材料,研究ZnO薄膜的发光特性具有十分重要的意义。ZnO作为新一代的宽带半导体材料,具有广泛的应用,如:ZnO薄膜可以制成表面声波谐振器,压电器件,GaN蓝光薄膜的过渡层以及透明导电膜等。自从1997年Tang等报导了ZnO薄膜的近紫外受激发射现象以后,ZnO再次成为当今半导体材料研究领域的热点。本文采用离子注入加热氧化法和RF反应磁控溅射方法制备了ZnO纳米团簇和ZnO薄膜。针对它们的生长行为、表面形貌、微观结构等开展了一系列研究工作。主要研究结果如下:1.采用离子注入技术将Zn离子注入Si（001）基片,并在大气环境下加热氧化制备了ZnO纳米团簇。研究结果表明,Zn离子注入到Si基片表面后形成了Zn纳米团簇,热氧化过程中Zn离子向表面扩散,在表面SiO₂非晶层和Si基片多晶区的界面处形成纳米团簇。热氧化温度是影响ZnO纳米团簇结晶质量的一个重要参数,随着热氧化温度的升高,金属Zn的衍射峰强度逐渐变弱并消失,而ZnO的（101）衍射峰强度逐渐增强。当热氧化温度高于800℃以后,ZnO与SiO₂之间开始发生化学反应形成Zn₂SiO₄。2.离子注入对ZnO薄膜表面形貌和生长行为的影响较大,注入后生长的ZnO的晶粒尺寸明显增大,随着注入剂量的增加表面岛的尺寸也增加,并有明显聚集的现象。TEM照片也显示未注入直接生长ZnO的晶粒尺寸小于注入后生长的ZnO晶粒尺寸,相应的选区电子衍射呈现为一组离散的斑点,而非完整的衍射环,说明ZnO薄膜具有平面织构。注入6×10¹⁶的Si基片表面溅射的ZnO薄膜相应的衍射为闭合的衍射环,衍射环对称性更加明显。ZnO薄膜不仅在垂直表面的方向上呈高度的c-轴取向,而且在平行于表面方向上也存在的固定的取向关系。3.利用反应射频磁控溅射技术,通过对基体施加负偏压溅射ZnO薄膜,探讨了固定偏压下ZnO薄膜的表面形貌随沉积时间的演化以及不同偏压对ZnO薄膜表面形貌的影响。研究结果表明,在-100V的偏压下,随着沉积时间的增加,ZnO薄膜的表面岛尺寸不断减小,密度逐渐变大。ZnO在基片表面成核过程中的本征缺陷成核阶段和轰击缺陷成核阶段的生长指数分别为0.45±0.03和0.22±0.04,低速率成核过程基本消失;随着偏压增加,表面岛的尺寸变大,表面起伏增加。偏压不但可以改变ZnO薄膜的形核和生长过程,而且影响薄膜的晶体取向。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-22
  1.1 ZnO的晶体结构  11-12
  1.2 ZnO的基本性质  12-15
    1.2.1 ZnO的基本物理参数  12-13
    1.2.2 ZnO的光学特性  13-14
    1.2.3 p-n特性  14
    1.2.4 其他特性  14-15
  1.3 ZnO的应用  15-16
    1.3.1 作为GaN的缓冲层  15
    1.3.2 紫外探测器  15
    1.3.3 太阳能电池  15
    1.3.4 压敏陶瓷  15-16
    1.3.5 ZnO发光二极管  16
  1.4 ZnO薄膜制备方法  16-20
    1.4.1 溅射法(Sputtering)  16-17
    1.4.2 离子注入加热氧化法  17
    1.4.3 分子束外延(MBE)  17-18
    1.4.4 脉冲激光沉积(PLD)  18-19
    1.4.5 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)  19
    1.4.6 溶胶-凝胶法(sol-gel)  19-20
    1.4.7 喷雾热分解法(Spray Pyrolysis)  20
  1.5 ZnO薄膜的研究现状  20-21
  1.6 本论文的研究目的和内容  21-22
2 ZnO薄膜的制备及表征方法  22-34
  2.1 离子注入加热氧化方法制备ZnO纳米团簇  22-24
    2.1.1 离子注入的基本原理  22-23
    2.1.2 实验设备  23
    2.1.3 离子注入工艺参数  23-24
    2.1.4 热氧化处理  24
   2.2 反应磁控溅射技术制备ZnO薄膜  24-27
    2.2.1 反应溅射基本原理  24-25
    2.2.2 实验设备  25-27
    2.2.3 薄膜制备条件  27
    2.2.4 薄膜基片的常规化学清洗  27
  2.3 薄膜的表征方法  27-34
    2.3.1 薄膜微观结构的表征  27-29
    2.3.2 薄膜表面形貌的表征  29-31
    2.3.3 薄膜化学成:分的表征  31-32
    2.3.4 TRIM程序估算离子注入过程  32-34
3 离子注入加热氧化法生长ZnO纳米团簇  34-47
  3.1 生长ZnO纳米团簇的提出  34-35
  3.2 注入Zn离子后未经氧化的表面分析  35-37
    3.2.1 注入Zn离子的计算结果  35-36
    3.2.2 注入Zn离子的表面形貌  36
    3.2.3 注入Zn离子的微观结构  36-37
    3.2.4 注入Zn离子的成分分析  37
  3.3 注入剂量对ZnO纳米团簇生长行为的影响  37-43
    3.3.1 注入剂量对Si基片表面形貌的影响  37-39
    3.3.2 注入不同剂量的Si基片表面截面图和表面粗糙度变化  39-40
    3.3.3 注入剂量对微观结构的影响  40-43
  3.4 氧化温度对ZnO纳米团簇生长行为的影响  43-46
    3.4.1 ZnO纳米团簇的XRD分析  43-44
    3.4.2 ZnO纳米团簇的TEM分析  44-46
  3.5 本章小结  46-47
4 离子注入对ZnO薄膜生长的影响  47-55
  4.1 ZnO薄膜的XRD分析  48-49
  4.2 ZnO薄膜的表面形貌及粗糙度分析  49-51
  4.3 ZnO薄膜的微观结构分析  51-52
  4.4 ZnO薄膜的定量分析  52-54
  4.5 本章小结  54-55
5 偏压对ZnO薄膜生长的影响  55-65
  5.1 固定偏压下薄膜的生长行为  56-62
    5.1.1 薄膜的形貌分析  56-58
    5.1.2 薄膜的粗糙度分析  58-59
    5.1.3 薄膜的定量分析  59-61
    5.1.4 薄膜的微观结构分析  61-62
  5.2 不同偏压下薄膜的生长行为  62-64
    5.2.1 薄膜的形貌及粗糙度分析  62-64
    5.2.2 薄膜的微观结构分析  64
  5.3 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-69
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  69-70
致谢  70-71

离子注入Si基片生长ZnO纳米团簇及其对ZnO薄膜生长行为的影响

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