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双金属掺杂ZnO薄膜的制备及光电性能

作　者: 段相彬
导　师: 郝素娥
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 无机化学
关键词: ZnO 共掺 导电性 透光率 结构计算
分类号: O484.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


为了改善ZnO薄膜的光电性能,在传统的金属-非金属掺杂制备ZnO功能薄膜的基础上,尝试了双金属掺杂制备ZnO光电薄膜。采用溶胶-凝胶法制备了Al掺杂、La掺杂、Al-Na共掺以及La-Na共掺的ZnO薄膜,并对掺杂前后ZnO薄膜的导电性能、透光率及结构的变化进行了研究。研究结果表明,Al、La、Al-Na、La-Na掺杂均能提高ZnO薄膜的导电性,其中Al单掺的效果最为显著。掺杂元素的掺杂量对ZnO薄膜的导电性有明显影响,一般随着掺杂元素添加量的增大呈现先降后升的“U”型变化规律。单掺时,Al离子掺杂浓度在1.2mol%时改性ZnO薄膜的电阻率最低,可达到0.112Ω·cm-1;而La离子掺杂浓度在0.35mol%时,改性ZnO薄膜的电阻率较低,为1.84Ω·cm-1。Al-Na、La-Na共掺时改性ZnO薄膜的电阻率均比单掺时要明显升高。退火温度对薄膜的导电性也有重要影响,随着退火温度的升高,Al单掺、La单掺和La-Na共掺的改性ZnO薄膜的电阻率都呈现升高的趋势,而Al-Na共掺改性ZnO薄膜的电阻率则呈现降低的趋势。Al单掺和La单掺制备的ZnO薄膜都有较高的透光率,平均水平在83%以上,而Al-Na共掺和La-Na共掺薄膜透光率均出现了不同程度的降低。SEM测试表明,随着掺杂元素离子浓度的升高,La单掺和La-Na共掺ZnO薄膜呈现出晶粒长大趋势,而且这种趋势在退火温度高于450℃时更加明显。XRD测试结果显示,在退火温度分别为450℃、500℃、550℃下,单掺和共掺的ZnO薄膜在（002）晶面上均能呈现出择优生长,其峰位置相对于纯ZnO有微弱偏移,在（100）和（101）晶面表现出峰强和峰位置的变化,说明掺杂元素进入晶格。通过Materials Studios计算软件对掺杂ZnO体系进行了理论计算,计算结果显示掺杂使晶胞发生畸变,变化的程度由掺杂元素离子半径所决定;通过对掺杂元素单取代Zn位以及共掺杂元素均取代Zn位的态密度和能带宽度的计算,可以解释Al-Na共掺改性ZnO薄膜的电阻率比Al单掺ZnO薄膜的电阻率高的现象。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 研究目的和意义  10-11
  1.2 ZnO 薄膜的制备方法  11-14
    1.2.1 脉冲激光沉积法  11
    1.2.2 金属有机化学气相沉积法  11-12
    1.2.3 分子束外延法  12
    1.2.4 喷雾热解法  12-13
    1.2.5 磁控溅射法  13
    1.2.6 溶胶-凝胶法  13-14
  1.3 ZnO 薄膜的掺杂改性研究  14-16
    1.3.1 N 掺杂改性  14
    1.3.2 As和P掺杂改性  14-15
    1.3.3 共掺杂改性  15-16
  1.4 ZnO 结构计算的研究进展  16-17
  1.5 主要研究内容  17-18
第2章 实验材料与研究方法  18-25
  2.1 溶胶-凝胶法的原理  18
  2.2 实验仪器与试剂  18-20
  2.3 掺杂ZnO 薄膜的制备过程  20-22
    2.3.1 衬底的清洗  20
    2.3.2 溶胶的制备  20-21
    2.3.3 薄膜制备流程  21
    2.3.4 Al单掺ZnO 薄膜的制备  21
    2.3.5 Al-Na 共掺ZnO 薄膜的制备  21-22
    2.3.6 La 单掺ZnO 薄膜的制备  22
    2.3.7 La-Na 共掺ZnO 薄膜的制备  22
  2.4 结构与性能测试  22-23
    2.4.1 XRD测试  23
    2.4.2 SEM 测试  23
    2.4.3 电阻率测试  23
    2.4.4 紫外-可见分光光度计测试  23
  2.5 CASTEP 计算模块及参数设置  23-25
第3章 掺杂ZnO 薄膜的结构与光电性能分析  25-47
  3.1 Al单掺ZnO 薄膜的性能表征与结构分析  25-31
    3.1.1 Al掺杂含量对ZnO 薄膜光电性能的影响  25-26
    3.1.2 Al单掺ZnO 薄膜导电机理分析  26-28
    3.1.3 退火温度对Al单掺ZnO薄膜光电性能的影响  28-29
    3.1.4 退火温度对Al单掺ZnO薄膜表面形貌的影响  29-30
    3.1.5 退火温度对Al单掺ZnO 薄膜结构的影响  30-31
  3.2 Al-Na 共掺ZnO 薄膜的性能表征与结构分析  31-35
    3.2.1 Na 掺杂含量对Al-Na 共掺ZnO 薄膜光电性能的影响  31-33
    3.2.2 Na 掺杂含量对Al-Na 共掺ZnO 薄膜表面形貌的影响  33
    3.2.3 Na 掺杂含量对Al-Na 共掺ZnO 薄膜结构的影响  33-34
    3.2.4 退火温度对Al-Na共掺ZnO 薄膜电性能的影响  34
    3.2.5 退火温度对Al-Na 共掺ZnO 薄膜表面形貌的影响  34-35
  3.3 La 单掺ZnO 薄膜的性能表征与结构分析  35-41
    3.3.1 La 掺杂含量对ZnO 薄膜光电性能的影响  35-37
    3.3.2 La 掺杂含量对ZnO 薄膜表面形貌的影响  37-38
    3.3.3 La 掺杂含量对ZnO 薄膜结构的影响  38-39
    3.3.4 退火温度对La 单掺ZnO薄膜表面形貌的影响  39-40
    3.3.5 退火温度对La 单掺ZnO 薄膜电性能的影响  40-41
  3.4 La-Na 共掺ZnO 薄膜的性能表征与结构分析  41-45
    3.4.1 Na 掺杂含量对La-Na 共掺ZnO 薄膜光电性能的影响  41-42
    3.4.2 Na 掺杂含量对La-Na 共掺ZnO 薄膜结构的影响  42-43
    3.4.3 Na 掺杂含量对La-Na 共掺ZnO 薄膜表面形貌的影响  43-44
    3.4.4 退火温度对La-Na 共掺ZnO 薄膜电性能的影响  44
    3.4.5 退火温度对La-Na 共掺ZnO 薄膜表面形貌的影响  44-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章 ZnO 体系的结构计算  47-58
  4.1 纯ZnO 体系的结构计算  47-52
    4.1.1 参数设置  47
    4.1.2 纯ZnO 体系的态密度和能带结构  47-52
  4.2 掺杂ZnO 体系的结构计算  52-57
    4.2.1 Al单掺和Al-Na 共掺ZnO 体系的理论模型  52-53
    4.2.2 Al单掺和Al-Na 共掺ZnO 体系的晶胞优化  53-54
    4.2.3 Al单掺和Al-Na 共掺ZnO 体系的态密度与能带结构  54-57
  4.3 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-63
攻读硕士学位期间发表的论文  63-65
致谢  65

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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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