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Ag~+、Li~+与Al~（3+）共掺杂ZnO薄膜的制备及性能研究

作　者: 马正洪
导　师: 谭红琳
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: ZnO透明导电薄膜 溶胶-凝胶 掺杂 C轴取向
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 18次
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内容摘要


ZnO是一种新型的Ⅱ—Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料,晶体结构具有六角纤锌矿型,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV。ZnO薄膜的高电阻率与单一的C轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数,可用于各种压电、压光、电声、声光器件和表面型气敏元件。不掺杂的ZnO薄膜的性能不是很稳定,通过掺杂不同的元素,可应用于还原酸性气体、可燃性气体、CH族气体探测器、报警器等。此外,它还在蓝光调制器、低损失率光波导、液晶显示、光催化、电子摄影机、热反射窗等领域具有潜在应用。ZnO薄膜以其性能多样、应用广泛和价格低廉为突出优势,又因为其制备方法多样、工艺简单,易于掺杂改性,并且与硅IC兼容,有利于现代器件集成化,代表着现代材料发展方向,是一种在高新技术领域及广阔的民用领域具有发展潜力的薄膜材料。另外ZnO的p型掺杂也是近年来研究的另一个热点和难点问题。本论文主要介绍了国内外最新的ZnO薄膜研究进展,并对ZnO薄膜的主要生长方法及结构性能等方面做了比较详细的说明。本实验主要采用Sol—gel法制备ZnO薄膜,研究制备工艺参数、退火温度、过渡层等因素对ZnO薄膜的结构、光学性能等的影响。主要研究内容为Sol-gel法制备Ag+-Al3+共掺和Li+-Al3+共掺薄膜以及制备工艺对ZnO薄膜性能的影响。因此本文研究Ag+和Al3+共掺杂以及Li+和Al3+共掺杂后ZnO透明导电薄膜的结构和光学性能。运用X射线(XRD)分析、能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)、四探针法测电阻和紫外分光光度计(UVS)等测量手段对样品的结构和光电特性进行了研究。通过这些方法,我们得出：制备的ZnO:(Ag, Al), ZnO:(Li, Al)薄膜没有改变六方纤锌矿的结构,而且具备一定的C轴择优取向。薄膜表面均匀、致密,内部晶粒成网状,可见光平均透过率可达70%,相对与纯ZnO薄膜来说,掺杂离子的加入都会对透光率起到增强作用,但是随着Ag+,Li+含量的提高,薄膜的透光率逐渐降低,并且发生了红移现象,而对于弱掺杂Al离子来说,随着Al3+的含量逐步提高,吸收边发生了蓝移现象,薄膜的透光率在某一浓度达到最大,但是随后会伴随着Al3+的含量的增多趋于稳定或者下降。ZnO:(Li, Al)薄膜方块电阻经测试在20Ω/□左右。掺杂离子的加入以及镀膜层数的增加都会降低其方块电阻。通过对ZnO：(Li,Al)薄膜进行能谱分析,我们可知Al3+有效的掺杂替代Zn2+位。对ZnO:Ag, ZnO:Li薄膜的弱掺杂Al3+掺杂量、镀膜层数、退火温度等相关工艺参数进行优化,得出Ag-Al共掺杂制备ZnO薄膜的最佳工艺条件：溶胶浓度0.5 mol·l-1；Ag+掺杂浓度3%、Al3+浓度0.5%；提拉次数15次；干燥温度180℃；热处理温度500℃；热处理时间30min；冷却方式室温快速冷却。Li-Al共掺杂制备ZnO薄膜的最佳工艺条件：溶胶浓度0.5 mol·l-1；Li+掺杂浓度2.5%、Al3+浓度0.5%；涂覆层数25层；干燥温度180℃；热处理温度500℃；热处理时间30min；冷却方式室温快速冷却。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章 综述  9-32
  1.1 引言  9-10
  1.2 ZnO透明导电薄膜  10-23
    1.2.1 透明导电氧化物薄膜概述  10-12
    1.2.2 ZnO和AZO的晶体结构  12-15
    1.2.3 ZnO薄膜制备  15-18
    1.2.4 ZnO薄膜的应用  18-21
    1.2.5 ZnO薄膜的研究热点  21-22
    1.2.6 ZnO薄膜的掺杂研究  22-23
  1.3 溶胶—凝胶法  23-30
    1.3.1 溶胶—凝胶工艺特点与发展轨迹  23-24
    1.3.2 溶胶凝胶法的基本原理和过程  24-25
    1.3.3 溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜的机理  25-27
    1.3.4 溶胶凝胶法制备薄膜的常用方法  27-29
    1.3.5 薄膜干燥、预处理及退火处理  29-30
  1.4 问题的提出及本文研究的内容  30-32
    1.4.1 问题的提出  30
    1.4.2 本文研究的内容  30-32
第二章 实验与研究方法  32-43
  2.1 溶胶凝胶法制备ZnO薄膜试剂及仪器设备  32-36
    2.1.1 试剂  32-33
    2.1.2 衬底的处理  33
    2.1.3 实验方案  33-36
  2.2 实验方法  36
    2.2.1 用分液漏斗试管提拉制备ZnO薄膜  36
    2.2.2 采用烧杯输液管提拉制备ZnO薄膜  36
  2.3 薄膜的制备过程  36-37
  2.4 实验仪器和分析设备  37-38
  2.5 薄膜结构和性能的检测  38-43
    2.5.1 X射线衍射分析(XRD)  38-39
    2.5.2 金相显微镜分析  39
    2.5.3 扫描电子显微镜分析与结果(SEM)  39
    2.5.4 X射线能谱分析(EDS)  39-40
    2.5.5 紫外分光光度计测量  40-42
    2.5.6 薄膜电阻率测定  42-43
第三章 实验结果与分析讨论  43-64
  3.1 ZnO:(Ag,Al)薄膜的结构与性能分析  43-51
    3.1.1 掺杂离子浓度对薄膜结构的影响  44-45
    3.1.2 提拉次数对薄膜结构的影响  45-46
    3.1.3 掺杂离子浓度对薄膜表面形貌的影响  46-48
    3.1.4 提拉次数对薄膜表面形貌的影响  48-49
    3.1.5 掺杂离子浓度对薄膜光学性能的影响  49-50
    3.1.6 提拉次数对薄膜光学性能的影响  50-51
  3.2 ZnO:(Li,Al)薄膜的结构与光电性能分析  51-64
    3.2.1 XRD图谱分析  51-54
    3.2.2 SEM分析  54-57
    3.2.3 光学性能分析  57-60
    3.2.4 薄膜导电性分析  60-62
    3.2.5 薄膜能谱分析  62-64
第四章 结论  64-67
  4.1 结论  64-65
  4.2 存在的问题以及以后的研究方向  65-67
致谢  67-68
参考文献  68-71
附录 作者在攻读学位期间发表的学术论文  71

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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