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Mg_xZn_(1-x)O三元化合物的制备及光电性能研究

作　者: 刘全生
导　师: 张希艳
学　校: 长春理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: MgxZn1-xO薄膜 MgxZn1-xO纳米粉体 MgxZn1-xO陶瓷 紫外发光 日盲区 紫外探测器
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


MgxZn1-xO三元化合物是一种Ⅱ-Ⅵ族ZnO基半导体材料,室温下ZnO的禁带宽度约为3.3eV,MgO的禁带宽度约为7.8eV,MgxZn1-xO薄膜的禁带宽度理论上可以从3.3eV到7.8eV连续可调,MgxZn1-xO三元化合物禁带宽度的可调性,使MgxZn1-xO三元化合物在紫外、可见光发射器件、日盲区紫外探测器等方面具有广阔的应用前景,成为当前的研究热点。本论文分别采用溶胶-凝胶旋涂法和射频磁控溅射法在蓝宝石、Si、石英玻璃和陶瓷等衬底上制备了不同组分的MgxZn1-xO薄膜,通过光电子能量分散谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）表征了薄膜的组分、结构和表面形貌。通过紫外可见分光光度仪和紫外可见荧光光谱仪研究了薄膜的吸收、透射和发光性能。讨论了制备工艺对薄膜结构和光学性能的影响。采用光刻与湿化学刻蚀法在Si（111）/MgxZn1-xO上制备了MSM结构的日盲区紫外探测器,采用霍尔测试仪和光谱响应测试系统研究了探测器的Ⅰ-Ⅴ特性和光谱响应特性。采用溶胶凝胶法制备了MgxZn1-xO纳米粉体,并利用该粉体制备了MgxZn1-xO陶瓷,采用XRD、分光光度仪和荧光光谱仪表征了纳米粉体和陶瓷的结构、发光性能和吸收、透过特性。取得以下主要研究成果:1.溶胶-凝胶旋涂法制备薄膜研究表明,在偏酸性条件下（pH值在6.5.7.0之间）,溶液温度为80℃,升温速率为2-4℃/min,稳定剂0.3ml/g的条件下获得质量较好的溶胶。在120℃下干燥,在300℃下热处理30min,在600℃下灼烧1h获得较佳薄膜样品。2.溶胶-凝胶旋涂法制备的薄膜组分与设计的组成一致。薄膜的结构随x值变化,当x≤0.33时,MgxZn1-xO薄膜为六方ZnO结构,当x≥0.5时,MgxZn1-xO薄膜为立方MgO结构,当0.33<x<0.5时,MgxZn1-xO薄膜晶体结构为ZnO和MgO的混合结构。退火有利于薄膜结构的完善。3.溶胶-凝胶旋涂法制备的MgxZn1-xO薄膜的发射光谱由峰值分别位于384nm、443nm和536nm附近的三个发射峰组成。石英玻璃衬底有利于紫外光发射,Si衬底有利于蓝光发射,薄膜的发光由缺陷能级引起。提高灼烧温度有利于提高薄膜样品的蓝光发射,退火使薄膜的紫外发光峰发生蓝移,蓝光发光峰发生红移。不同组分和不同衬底MgxZn1-xO薄膜都具有紫外激发特性,Si衬底上激发光谱较宽。灼烧温度和退火对薄膜的激发光谱基本没有影响。Mg含量增加,薄膜的吸收边蓝移,带隙增大。退火也可以增大薄膜禁带宽度。4.射频磁控溅射法制备薄膜研究表明,当溅射功率为300W,气体流量为20sccm,靶与挡板间距为10mm,靶与衬底间距为80mm,衬底温度为室温,溅射时间为50min时获得高质量的薄膜样品。薄膜粒径分布均匀,随着溅射时间的增加,颗粒长大。蓝宝石衬底上薄膜的平均粒径最小约为10nm,Si衬底上薄膜的平均粒径最大约为40nm,薄膜为纳米膜。5.射频磁控溅射法制备的薄膜组分与靶材组分不一致,薄膜中Mg含量大于靶材中Mg含量。Si衬底上薄膜的组分为Mg0.59Zn0.41O,蓝宝石衬底上薄膜的组分为Mg0.47Zn0.53O,石英玻璃衬底上薄膜的组分为Mg0.44Zn0.56O,载玻片衬底上薄膜的组分为Mg0.52Zn0.48O。不同衬底上MgxZn1-xO薄膜的结构均为ZnO的六方纤锌矿结构,薄膜具有c轴取向性。6.射频磁控溅射法制备的MgxZn1-xO薄膜具有明显的吸收边,蓝宝石衬底上薄膜的吸收边位于292nm,石英玻璃和Si衬底上薄膜的吸收边位于298nm,载玻片衬底上薄膜的吸收边位于312nm,蓝宝石衬底和石英玻璃衬底MgxZn1-xO薄膜的平均透过率达80%。薄膜的吸收边和发光峰随着溅射时间的增加发生蓝移。7.紫外探测器的响应截止边位于295nm,对应的光谱响应度Rλ为5.85A/W,外量子效率为2460.6%,NEP为1.681×1012W,D为5.95×1011W-1,D*为1.78×1011 cm·Hz·W-1。日盲区响应峰值位于260nm,对应的光谱响应度Rλ为7.17A/W,外量子效率可达3421.8%,NEP为1.365×1012W,D为7.33×1011 W-1,D*为2.2×1011 cm·Hz·W-1。8. MgxZn1-xO粉体存在ZnO的六方纤锌矿和MgO的面心立方岩盐两种结构,当x小于0.20时,粉体为ZnO六方结构;当x大于0.80时,粉体为MgO立方面心结构,粉体随着灼烧温度的升高晶粒逐渐完善。采用粉体制备的MgxZn1-xO陶瓷的透过率随x的变化而改变。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-32
  1.1 引言  10
  1.2 Mg_xZn_(1-x)O国内外发展现状  10-11
  1.3 Mg_xZn_(1-x)O的基本性能  11-22
  1.4 Mg_xZn_(1-x)O材料的制备方法  22-24
  1.5 Mg_xZn_(1-x)O材料的应用  24-26
  1.6 论文研究目的及研究内容  26-27
  参考文献  27-32
第二章 溶胶-凝胶旋涂法制备Mg_xZn_(1-x)O薄膜及性能研究  32-70
  2.1 引言  32-33
  2.2 薄膜的制备  33-36
  2.3 影响溶胶形成的因素  36-38
  2.4 影响薄膜形成性能的因素  38-39
  2.5 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的组分确定  39-42
  2.6 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的结构  42-52
  2.7 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的表面形貌  52-55
  2.8 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的吸收光谱  55-59
  2.9 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的发射光谱  59-63
  2.10 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的激发光谱  63-65
  2.11 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的光发射机理探讨  65-66
  本章小结  66-68
  参考文献  68-70
第三章 射频磁控溅射法制备Mg_xZn_(1-x)O薄膜及性能研究  70-108
  3.1 引言  70-71
  3.2 射频磁控溅射法制备Mg_xZn_(1-x)O薄膜  71-74
  3.3 磁控溅射工艺的确定  74-75
  3.4 Mg_xZn_(1-x)O薄膜组分确定  75-83
  3.5 Mg_xZn_(1-x)O薄膜结构  83-89
  3.6 Mg_xZn_(1-x)O薄膜吸收与透光性  89-94
  3.7 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的发光性能  94-99
  3.8 Mg_xZn_(1-x)O薄膜的表面形貌  99-102
  3.9 紫外探测器的性能  102-105
  本章小结  105-106
  参考文献  106-108
第四章 Mg_xZn_(1-x)O纳米粉体及陶瓷的制备与性能研究  108-124
  4.1 引言  108
  4.2 纳米粉体的制备  108-110
  4.3 影响溶胶-凝胶形成性能的因素  110-112
  4.4 Mg_xZn_(1-x)O纳米粉体的结构  112-113
  4.5 Mg_xZn_(1-x)O粉体的光学性能  113-117
  4.6 Mg_xZn_(1-x)O粉体的SEM图  117-118
  4.7 Mg_xZn_(1-x)O陶瓷的制备及性能  118-120
  本章小结  120-121
  参考文献  121-124
第五章 结论与展望  124-128
  5.1 结论  124-126
  5.2 创新点  126-127
  5.3 展望  127-128
致谢  128-130
附件  130-132
攻读博士学位论文期间参加的科研课题情况  132

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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