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Fe的不同掺杂量对ZnO光致发光的影响和ZnO/SiO_2复合薄膜结构特性的研究

作　者: 周婷婷
导　师: 马书懿
学　校: 西北师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: ZnO薄膜磁控溅射掺杂光致发光沉积时间
分类号: O484.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着信息技术的迅猛发展,光电子信息材料是本世纪最受关注的材料之一。ZnO是一种多功能的半导体材料,激子束缚能高达60meV,是一种新型的直接带隙宽带半导体。ZnO具有优异的光学、电学及压电特性,在光探测器、发光二极管、电致荧光器件、表面声波器、透明导电薄膜等诸多领域有着广泛的应用。ZnO薄膜的制备方法和表征技术主要有:磁控溅射法、脉冲激光沉积、金属有机化学气相沉积、溶胶-凝胶法和X射线衍射仪、原子力显微镜、紫外分光光度计、荧光/磷光分光光度计等。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。本论文通过射频磁控溅射方法和射频反应磁控溅射方法进一步研究了Fe的不同掺杂量、SiO₂的沉积时间对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、在研究玻璃衬底,Fe的不同掺杂量对ZnO薄膜结构的影响中发现,随着掺杂量的增加,（0 0 2）衍射峰的半高宽逐渐增大,晶粒尺寸逐渐减小,c轴方向的晶格常数逐渐增大。这种现象我们认为是Fe的掺入使得晶格发生紊乱所导致,证明Fe进入了ZnO的晶体结构。2、在研究硅衬底,Fe-ZnO薄膜光致发光（PL）性质的研究发现,发光峰主要有蓝光发射和绿光发射,蓝光发射主要是由于电子从导带向锌空位形成的浅受主能级上的跃迁;绿光发射是由于电子从氧空位到锌空位的能级跃迁及导带底到氧错位缺陷能级的跃迁。3、由透射谱和吸收谱分析,Fe-ZnO薄膜在可见光区的平均透过率为66%,掺杂量为2%Fe的薄膜的禁带宽度最接近于ZnO的禁带宽度。4、在研究玻璃衬底,SiO₂的沉积时间对ZnO薄膜结构中发现,随着SiO₂沉积时间的增加,沉积时间为40分钟的样品i拥有最小的半高宽,晶粒尺寸最大,薄膜的应力最小。这说明SiO₂缓冲层的加入以及适合的沉积时间能够改善ZnO的结晶质量。由原子力显微镜测试可知:所有样品的表面粗糙度都小于5nm,说明制备的ZnO/SiO₂的薄膜非常平滑。5、在研究退火温度对ZnO/SiO₂薄膜结构的影响时,退火温度为500℃时,样品i出现了在2θ=31.76°,34.26°,36.27°的较强的（1 0 0）,（0 0 2）,（1 0 1）的衍射峰,这说明ZnO薄膜出现了多晶结构。与未退火的样品i比较,退火后的样品i衍射峰的强度大大降低。总体说退火后的ZnO薄膜质量变差。6、通过对ZnO薄膜光吸收和透射特性的研究,我们发现:ZnO/SiO₂薄膜在可见光区的透射率都超过了90%,这和纯ZnO的透射率基本一样,所以我们认为SiO₂的沉积时间对于薄膜的光透射基本没有影响。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章引言  10-20
  1.1 ZnO材料的概况  10-13
    1.1.1 ZnO结构和性质  10-11
    1.1.2 纳米ZnO的应用  11-13
  1.2 ZnO薄膜的研究进展  13-16
    1.2.1 薄膜研究的历史  13
    1.2.2 ZnO薄膜的研究的历史及进展  13-16
  1.3 本论文研究工作简介  16-18
  参考文献  18-20
第二章 ZnO薄膜的制备及表征  20-32
  2.1 ZnO薄膜的制备  20-26
    2.1.1 常用制备方法  20-23
    2.1.2 实验室ZnO薄膜的制备  23-26
  2.2 ZnO薄膜的表征  26-31
    2.2.1 X射线衍射仪(XRD)  26-28
    2.2.2 原子力显微镜(AFM)  28
    2.2.3 荧光分光光度计  28-29
    2.2.4 紫外分光光度计  29-31
  参考文献  31-32
第三章 Fe的不同掺杂量对ZnO薄膜光致发光的影响  32-39
  3.1 Fe的不同掺杂量对ZnO薄膜结构的影响  32-34
  3.2 Fe的不同掺杂量对ZnO薄膜光致发光特性的影响  34-37
  3.3 本章小结  37-38
  参考文献  38-39
第四章 ZnO/Si0_2复合薄膜结构特性的研究  39-47
  4.1 Si0_2的沉积时间对ZnO/Si0_2薄膜结构的影响  39-43
  4.2 退火温度对ZnO/Si0_2薄膜结构的影响  43-44
  4.3 Si0_2的沉积时间对ZnO/Si0_2薄膜光透射特性的影响  44-45
  4.4 本章小结  45-46
  参考文献  46-47
第五章总结与展望  47-49
  5.1 总结  47-48
  5.2 展望  48-49
致谢  49-50
附录：攻读硕士学位期间发表的论文  50

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