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基底与Cu掺杂对ZnO微结构和光学性质的影响

作　者: 杨付超
导　师: 马书懿
学　校: 西北师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: ZnO:Cu/PS纳米复合薄膜拉曼光谱基底射频磁控溅射光致发光机制
分类号: O484.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

多孔硅是一种多功能半导体材料，氧化锌具有新异的光学、电学及气敏特性。本文采用电化学腐蚀法以p型（100）单晶硅为原材料制备了多孔硅样品，然后以多孔硅，硅和玻璃为衬底采用射频反应磁控溅射技术在不同Cu掺杂浓度下制备了氧化锌薄膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外分光光度计、荧光分光光度计、拉曼散射谱和傅里叶转换红外光谱等几种表征技术研究了基底与Cu掺杂对氧化锌薄膜微结构及光学特性的影响。研究的主要方向有三个方面：其一，探索机械性能适合做衬底的发光特性较好的PS制备流程和参数；其二，Cu掺杂浓度对ZnO/PS纳米复合体系的微结构和光学性质的影响；其三，基底与Cu掺杂对ZnO微结构和光学性质的影响。对应的主要发现如下：1、找到机械性能适合做衬底的发光特性较好的PS制备流程和参数：将电阻率为8¹3Ω·cm，厚度为390±10μm的P型（100）单晶硅片（单面抛光）先用酸性溶液除去有机污染物和表面氧化层，再进行丙酮，酒精及去离子水超声波清洗15min，交替清洗3次，清洗完毕用干燥的N₂气吹干后迅速放入真空室，使用射频磁控溅射技术在硅片背面沉积Al电极薄膜，480℃真空退火1小时以形成良好的欧姆接触。电化学腐蚀法制备多孔硅最后确定的参数为：电解液的体积配比浓度为HF（40%）:C₂H₅OH（99.7%）=1:1，腐蚀电流密度为15mA·cm^-2，腐蚀时间为10min。电化学腐蚀后的多孔硅用去离子水冲洗干净，N₂气吹干。2、具有高度C轴择优取向的ZnO/PS和ZnO:Cu/PS纳米复合薄膜在室温下成功地沉积在了PS衬底上。沉积的方法是射频反应磁控溅射法。X射线衍射谱的测试分析表明Cu掺杂后出现了一些比较弱的其它衍射峰（100），（101），（102）和（110）。随着Cu掺杂浓度的增加，（002）衍射峰的强度先减小后增强。ZnO:Cu/PS纳米复合薄膜的残余应力由压应力变成了张应力。扫描电子显微镜发现Cu掺杂以后表面形貌变得粗糙，晶粒由球形变为椭球形。利用光学吸收谱计算了样品的光学带隙值，发现Cu掺杂后光学带隙值红移，我们把它归因于Cu掺杂后ZnO晶格内部载流子浓度的减小。通过把源于ZnO的蓝绿光和源于PS的红橙光相结合，我们得到了从350到800nm较宽的发光带，这有助于发白光二极管的研究。利用高斯分解的方法，讨论了Cu掺杂对ZnO/PS纳米复合薄膜光致发光谱影响。拉曼散射谱揭示了PS的特征峰和适量的Cu掺杂能促进多声子过程。3、通过射频磁控溅射法ZnO和ZnO:Cu薄膜在常温下成功地沉积在PS，Si和玻璃衬底上。X射线测试分析表明ZnO和ZnO:Cu薄膜具有C轴择优取向，晶粒尺寸的范围11.4¹7.6nm，不同衬底上的ZnO和ZnO:Cu薄膜均为压应力。傅里叶转换红外谱的1067cm^-1吸收峰是横向光学膜的非对称振动，证实了Si-O-Si伸缩振动。拉曼散射谱中E2（high）模进一步证实了样品中的残余应力为压应力。光学透射和吸收谱说明了Cu掺杂以后光学带隙值朝长波方向移动。光致发光谱显示沉积在Si和玻璃衬底上的ZnO和ZnO:Cu薄膜三个主要的发光中心位于416，481和525nm；沉积在PS衬底上的ZnO和ZnO:Cu薄膜有一个从400到500nm发光带和三个发光中心位于530，597和688nm的发光峰，并讨论了基底与Cu掺杂对ZnO薄膜的一些发光峰的峰位和强度的影响。通过对比我们发现较高的结晶质量和较强的蓝光发射的样品是沉积在Si衬底上。从本文的研究可以发现基底与Cu掺杂对ZnO薄膜的改性有着重要的实际应用意义。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-13
第一章绪论  13-22
  1.1 引言  13-14
  1.2 多孔硅材料简介  14-15
  1.3 氧化锌材料简介  15-18
  1.4 本论文的选题背景与主要研究内容  18-20
  参考文献  20-22
第二章多孔硅与ZnO薄膜的制备技术  22-31
  2.1 多孔硅的制备方法  22-23
    2.1.1 电化学腐蚀法  22-23
    2.1.2 光化学腐蚀法  23
    2.1.3 水热腐蚀法  23
    2.1.4 火花腐蚀法  23
  2.2 多孔硅的主要结构参数  23-24
    2.2.1 多孔硅的孔隙率  23-24
    2.2.2 多孔硅膜层厚度  24
  2.3 多孔硅的形成机理  24-26
    2.3.1 耗尽层与场强化模型  24
    2.3.2 硅腐蚀与量子限制模型  24-25
    2.3.3 载流子扩散模型  25
    2.3.4 多孔硅样品的发光原理  25-26
  2.4 ZnO的常用制备方法  26-29
    2.4.1 磁控溅射法  26-27
    2.4.2 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)  27
    2.4.3 化学气相沉积法(CVD)  27-28
    2.4.4 脉冲激光沉积法(PLD)  28
    2.4.5 分子束外延法  28-29
  参考文献  29-31
第三章本论文实验样品的制备与表征  31-43
  3.1 本论文实验样品的制备  31-37
    3.1.1 多孔硅的制备  31-32
    3.1.2 ZnO/PS和ZnO:Cu/PS纳米复合薄膜的制备  32-35
    3.1.3 不同基底与Cu掺杂ZnO薄膜的制备  35-37
  3.2 本论文实验样品的表征  37-42
    3.2.1 X射线衍射表征技术  37-38
    3.2.2 扫描电子显微镜表征技术  38-39
    3.2.3 透射吸收谱表征技术  39-40
    3.2.4 光致发光谱表征技术  40
    3.2.5 Raman散射表征技术  40-41
    3.2.6 傅里叶红外吸收表征技术  41-42
  参考文献  42-43
第四章 Cu掺杂浓度对ZnO/PS微结构和光学性质的影响  43-56
  4.1 Cu掺杂浓度对ZnO/PS微结构的影响  43-47
  4.2 Cu掺杂浓度对ZnO/PS光学性质的影响  47-53
    4.2.1 Cu掺杂浓度对ZnO/PS光致发光的影响  47-50
    4.2.2 Cu掺杂浓度对光吸收谱的影响  50-51
    4.2.3 Cu掺杂浓度对拉曼散射谱的影响  51-53
  4.3 本章小结  53-54
  参考文献  54-56
第五章基底与Cu掺杂对ZnO微结构和光学性质的影响  56-68
  5.1 基底与Cu掺杂对ZnO微结构的影响  56-59
  5.2 基底与Cu掺杂对ZnO光学性质的影响  59-64
    5.2.1 傅里叶变换红外收光谱对ZnO/PS和ZnO:Cu/PS的分析  59-60
    5.2.2 拉曼散射光谱对ZnO/Si和ZnO:Cu/Si的分析  60-61
    5.2.3 紫外-可见光分光光度计对ZnO/glass和ZnO:Cu/glass的分析  61-62
    5.2.4 基底与Cu掺杂对光致发光谱的影响分析  62-64
  5.3 本章小结  64-66
  参考文献  66-68
第六章总结和展望  68-70
  6.1 总结  68-69
  6.2 展望  69-70
附录：攻读硕士学位期间发表的论文  70-71
致谢  71

基底与Cu掺杂对ZnO微结构和光学性质的影响

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