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Al-IB族掺杂ZnO薄膜的制备及第一性原理计算

作　者: 方来鹏
导　师: 谭红琳
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: ZnO薄膜溶胶-凝胶第一性原理赝势法掺杂
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

ZnO是一种直接带隙的宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV,具有可见光透过率高、紫外光吸收强的特点,因此,被认为是有望取代GaN的新一代短波长光电子材料,在平面显示器、太阳能电池透明电极、表面声波材料、发光元件以及压敏电阻器等光电器件领域有着广阔的应用前景。近年来受到越来越多研究者的注意,成为半导体领域里的一个研究热点。本论文介绍了ZnO薄膜研究的国内外最新进展,并综述了ZnO薄膜的主要生长技术及原理。本论文采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺,以乙醇为溶剂,醋酸锌为前驱体,二乙醇胺为稳定剂反应制得溶胶,用浸渍提拉法和旋转涂敷法在普通石英玻璃基体上镀膜,经干燥、预热处理、退火,最后形成均匀、透明导电的多晶ZnO薄膜。对ZnO薄膜进行模拟计算,该计算基于密度泛函理论,采用第一性原理赝势法,计算程序选用Materials Studio软件,采用ZnO的(2×2×2)个原胞,32个原子构成的超晶胞。计算结果显示：掺Ag替代Zn位使ZnO能带出现深受主能级,ZnO的本征缺陷会对受主能级产生补偿作用,这使得单纯的掺Ag很难获得理想的P型掺杂,但是掺Cu极有可能获得p型。运用X射线衍射谱(XRD)、扫描电镜(SEM)对样品的结构和光电特性进行了表征。结果表明：所制备ZnO：Ag薄膜为六方纤锌矿结构,表面均匀、致密,薄膜由许多网状晶粒组成,薄膜可见光透过率平均可达80%，Ag掺杂量的增大导致光学能隙增大。对薄膜的掺杂量、镀膜层数、预热处理温度、退火温度等工艺参数进行优化,通过分析得出镀膜17层,掺杂量4%atm,热处理温度180℃,退火温度520℃为最优组合。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-15
  1.1 ZnO的结构和基本性质  9-11
    1.1.1 ZnO的晶体结构  9-10
    1.1.2 ZnO的基本性质  10-11
  1.2 研究背景和意义  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-13
  1.4 本论文的研究目的和重点  13-15
第二章溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜试验  15-33
  2.1 ZnO薄膜的主要制备方法  15-20
    2.1.1 磁控溅射法(Magnetron Sputtering)  15-16
    2.1.2 脉冲激光沉积法(PLD)  16-17
    2.1.3 化学气相沉积法(CVD)  17-18
    2.1.4 喷雾热解法(Spray Pyrolysis)  18-19
    2.1.5 分子束外延(MEB)  19
    2.1.6 溶胶-凝胶法(Sol-gel)  19-20
  2.2 溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜的原理及优缺点  20-24
    2.2.1 溶胶-凝胶法制备薄膜的基本原理  20-21
    2.2.2 ZnO薄膜的形成原理  21-23
    2.2.3 溶胶-凝胶法的优缺点  23-24
  2.3 本论文实验所用原料与设备  24-25
    2.3.1 实验所用原料  24
    2.3.2 实验所用设备  24-25
  2.4 薄膜的制备过程  25-30
    2.4.1 ZnO薄膜的制备工艺流程  25-26
    2.4.2 溶胶的配制  26-27
    2.4.3 基板的选择与清洗  27
    2.4.4 浸渍提拉法镀膜  27-28
    2.4.5 旋转涂敷法镀膜  28-29
    2.4.6 薄膜预热及退火热处理  29-30
  2.5. 分析测试方法  30-33
    2.5.1 X射线衍射仪(XRD)  30-31
    2.5.2 扫描电子显微镜(SEM)  31-32
    2.5.3 紫外-可见分光光度计  32-33
第三章 ZnO掺杂的理论与计算  33-50
  3.1 第一性原理方法简介  33-38
    3.1.1 MS软件主要理论模拟方法  33-34
    3.1.2 能带理论  34-35
    3.1.3 态密度  35
    3.1.4 第一性原理  35-37
    3.1.5 ZnO掺杂理论及晶体结构  37-38
  3.2 IB族掺杂对ZnO的影响  38-46
    3.2.1 Cu掺杂ZnO  38-43
      3.2.1.1 计算方法和模型  38-39
      3.2.1.2 能带分析  39-41
      3.2.1.3 态密度分析  41-43
    3.2.2 Ag掺杂ZnO  43-46
      3.2.2.1 计算方法和模型  43
      3.2.2.2 能带分析  43-44
      3.2.2.3 态密度分析  44-46
  3.3 Al与IB族共掺杂对ZnO的影响  46-49
    3.3.1 Al、Ag共掺杂ZnO  46-49
      3.3.1.1 计算方法和模型  46-47
      3.3.1.2 能带分析  47-48
      3.3.1.3 态密度分析  48-49
  3.4 小结  49-50
第四章制膜工艺对ZnO薄膜性能的影响分析  50-68
  4.1 掺杂离子及浓度对薄膜性能的影响  50-58
    4.1.1 掺杂离子及浓度对薄膜表面形貌的影响  50-52
    4.1.2 掺杂离子及浓度对薄膜结构的影响  52-56
    4.1.3 掺杂离子及浓度对薄膜透光性的影响  56-58
  4.2 退火温度对薄膜性能的影响  58-64
    4.2.1 退火温度对薄膜表面形貌的影响  58-59
    4.2.2 退火温度对薄膜结构的影响  59-62
    4.2.3 退火温度对薄膜透光性的影响  62-64
  4.3 镀膜层数对薄膜性能的影响  64-67
    4.3.1 镀膜层数对薄膜表面形貌的影响  64-66
    4.3.2 镀膜层数对薄膜透光性的影响  66-67
  4.4 小结  67-68
第五章结论  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-75
附录A 攻读学位其间发表论文目录  75

Al-IB族掺杂ZnO薄膜的制备及第一性原理计算

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