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ZnO薄膜的制备与发光性能的研究

作　者: 刘晓艳
导　师: 杨兵初
学　校: 中南大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: ZnO薄膜 光致发光 紫外发光峰 蓝色发光峰
分类号: O472
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 298次
引　用: 2次
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内容摘要


ZnO是一种宽禁带半导体材料，为六方晶体（纤锌矿）结构，与GaN的晶格结构相同。室温下ZnO的禁带宽度为3.37eV左右，激子束缚能为60meV，是继GaN之后的又一理想的光电材料。本文利用直流磁控溅射法制备了表面平滑、结晶质量较好的ZnO薄膜。研究了氧分压、溅射功率、工作气压、基片温度、氮气气氛中退火处理以及掺杂对ZnO薄膜的表面形貌、结构及光学性能的影响，并讨论了ZnO薄膜的发光机制。随着基片温度的升高，氧分压、溅射功率的增大，ZnO薄膜的结晶质量先得到提高，后又受到破坏；随着工作气压的增加，薄膜的结晶质量下降。ZnO薄膜的透光性受膜厚与薄膜的结晶质量两个因素的影响，但不同工艺参数对ZnO薄膜的透光性的影响规律性似乎不是很强。退火处理能够明显改善ZnO薄膜的表面形貌、结晶质量，提高薄膜的透光性。磁性离子Ni、Fe的掺杂均能改善ZnO薄膜的表面形貌与结晶质量，且使薄膜的吸收边发生红移。ZnO薄膜的发光特性是本文的研究重点。ZnO薄膜的光致发光（Photoluminescence，PL）光谱包括400nm左右的紫外发光峰和466nm左右的蓝色发光峰。紫外发光峰是电子从导带到价带的跃迁产生的。制备工艺参数的改变、退火处理以及掺杂都会对紫外发光峰的峰位和峰强产生影响。蓝色发光峰的峰强也受上述因素的影响，但是峰位几乎不受影响。并对蓝色发光峰的发光机理进行了探讨。首先利用准化学反应方程式讨论了随着氧分压的增大，ZnO薄膜中六种点缺陷氧空位（Vo），锌空位(VZn)，氧位锌(OZn)，锌位氧（Zno），间隙氧（Oi），间隙锌（Zni）的浓度变化，初步推测蓝色发光峰可能是由Vo、Zni或Zno引起的。然后对掺杂ZnO薄膜的蓝色发光峰进行讨论，进一步推测蓝色发光峰可能是由Zni引起的。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-22
  1.1 ZnO薄膜的结构和性质  9-11
    1.1.1 结构  9
    1.1.2 电学性质  9-10
    1.1.3 光学性质  10-11
  1.2 ZnO薄膜的应用  11-12
  1.3 ZnO薄膜的制备方法  12-14
  1.4 ZnO薄膜的发光机制  14-15
  1.5 ZnO薄膜发光特性研究现状  15-20
  1.6 磁性离子掺杂ZnO薄膜的研究  20-21
  1.7 本论文的研究内容及结构  21-22
第二章 ZnO薄膜的制备与性能表征  22-28
  2.1 实验设备及原理  22-24
    2.1.1 实验设备  22-23
    2.1.2 实验原理  23-24
  2.2 ZnO薄膜的制备  24-25
  2.3 ZnO薄膜的表征  25-27
    2.3.1 表面形貌  25
    2.3.2 结构表征  25-26
    2.3.3 透射光谱  26
    2.3.4 光致发光谱  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章 制备工艺对ZnO薄膜结构与光学性能的影响  28-50
  3.1 引言  28
  3.2 氧分压对ZnO薄膜的结构与光学特性的影响  28-33
    3.2.1 表面形貌  28-29
    3.2.2 XRD分析  29-31
    3.2.3 透射光谱  31
    3.2.4 光致发光谱  31-33
  3.3 溅射功率对ZnO薄膜的结构与光学特性的影响  33-37
    3.3.1 表面形貌  34-35
    3.3.2 XRD分析  35-36
    3.4.3 透射光谱  36-37
    3.4.4 光致发光谱  37
  3.4 工作气压对ZnO薄膜的结构与光学特性的影响  37-41
    3.4.1 表面形貌  38-39
    3.4.2 XRD分析  39-40
    3.4.3 透射光谱  40
    3.4.4 光致发光谱  40-41
  3.5 基片温度对ZnO薄膜的结构与光学特性的影响  41-45
    3.5.1 表面形貌  41-42
    3.5.2 XRD分析  42-43
    3.5.3 透射光谱  43-44
    3.5.4 光致发光谱  44-45
  3.6 氮气中退火对ZnO薄膜的结构与光学特性的影响  45-48
    3.6.1 表面形貌  45-46
    3.6.2 XRD分析  46
    3.6.3 透射光谱  46-48
    3.6.4 光致发光谱  48
  3.7 本章小结  48-50
第四章 掺杂对ZnO薄膜的结构与光学性能的影响  50-59
  4.1 Ni掺杂ZnO薄膜的结构与光学特性的研究  50-53
    4.1.1 表面形貌  50-51
    4.1.2 XRD分析  51
    4.1.3 透射光谱  51-52
    4.1.4 光致发光谱  52-53
    4.1.5 小结  53
  4.2 Fe掺杂ZnO薄膜的结构与光学特性的研究  53-57
    4.2.1 表面形貌  54
    4.2.2 XRD分析  54-55
    4.2.3 透射光谱  55-56
    4.2.4 光致发光谱  56-57
    4.2.5 小结  57
  4.3 本章小结  57-59
第五章 总结与展望  59-61
  5.1 论文的主要工作  59-60
  5.2 下一步工作展望  60-61
参考文献  61-68
致谢  68-69
攻读硕士学位期间所发表的论文  69

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 半导体物理学 > 半导体性质
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