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脉冲激光沉积Pr~(3+)掺杂SrTiO_3和CaTiO_3薄膜发光性能研究

作　者: 王伟
导　师: 沈明荣
学　校: 苏州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 射频磁控溅射 ZnO薄膜 透射率 光学带隙 PL谱
分类号: O484.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


ZnO薄膜是一种直接宽带隙半导体材料,具有较高的激子束缚能（60eV）,即使在室温条件下激子也不会分解,具有多种用途,因此近年来对ZnO基半导体材料的研究越来越为人们所重视,为了研究沉积气压对磁控溅射制备Zno薄膜的结构与性能的影响,本文采用CS-400射频磁控溅射法在不同的沉积气压（0.5Pa-5Pa）下分别在Si（111）及石英基底上成功的制备了ZnO薄膜和25%N2气氛下Zn0.975Cu0.025O薄膜,采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、紫外-可见分光光度计等分析测试手段,研究了样品的表面形貌、晶体结构、光学学性能等。重点研究了不同的沉积气压对ZnO薄膜结构和光学性质的影响。结果如下:一.采用CS-400型射频磁控溅射仪在Si（111）和石英基底上成功的制备了ZnO薄膜,对不同沉积气压下的ZnO膜进行了结构和光学性质的研究。XRD和SEM测试结果显示了在合适的沉积气压（＞2.0Pa）下,制备出结晶良好,具有良好c轴择优取向的ZnO膜,随着沉积气压的上升,晶粒尺寸先变大再变小,结晶质量先变好再变差,同时通过计算发现薄膜的晶格常数c也随之增大,薄膜的（002）峰位向小角方向偏移。在ZnO薄膜的透射谱研究中,发现在可见光区域的平均透过率超过80%,陡峭的吸收边在380nm左右,所对应的光学带隙约为3.23eV-3.27eV,随着沉积气压的上升变化很小。我们认为所有的光学性质都来源于物质电子的电磁辐射作用,所以不同沉积气压下ZnO薄膜的PL谱大致类似。然而通过纯Ar气氛下制备的ZnO薄膜和25%N2气氛下ZnO薄膜的对比,由于25%N2气氛下ZnO薄膜的结构和光学性质和纯Ar气氛下制备的ZnO薄膜的结构和光学性质并无很大区别,我们认为当采用N2作为掺杂源时,N2并没有被激发成为活性氮,难以形成稳定的有效浓度的N掺杂ZnO。二.对25%N2气氛不同沉积气压条件下制备的Zn0.975Cu0.025O和ZnO薄膜进行了结构对比。不同沉积气压下Zn0.975Cu0.025O薄膜样品具有良好c轴择优取向,Cu的掺杂提高了薄膜的C轴的择优取向;Zn0.975Cu0.025O薄膜的XRD衍射的（002）衍射峰在沉积气压为4.0Pa时最强,半高宽最窄和晶粒尺寸最大,ZnO薄膜在2.0Pa时衍射峰最强,半高宽最窄和晶粒尺寸最大;Zn0.975Cu0.025O薄膜的c轴晶格常数比ZnO薄膜样品的c轴晶格常数大,使得垂直于C轴的压应力偏大;随着沉积气压的升高Zn0.975Cu0.025O薄膜片状颗粒逐渐减少而较小的球状颗粒逐渐增多;样品中Cu元素的掺入,薄膜沉积的则优取向更明显,颗粒尺寸减小以及球状颗粒的增多,薄膜的致密性增强,薄膜的厚度受到影响。实验中采用N2作为掺杂源时,没有检测到N-Cu键的存在,所以难以形成稳定的有效浓度的N掺杂ZnO。

全文目录


中文摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章 引言  11-34
  1.1 ZnO的结构与性能  11-25
    1.1.1 ZnO的晶格结构  11-13
    1.1.2 ZnO的能带结构及其固有缺陷  13-15
    1.1.3 ZnO薄膜的光学特性  15-16
    1.1.4 ZnO薄膜的光致发光特性  16-17
    1.1.5 ZnO薄膜的电学特性  17-20
    1.1.6 ZnO薄膜的n型掺杂  20-22
    1.1.7 ZnO薄膜的p型掺杂  22-24
    1.1.8 ZnO材料与自旋电子学  24-25
  1.2 ZnO薄膜的应用  25-27
    1.2.1 ZnO薄膜用作透明导电氧化物薄膜  25
    1.2.2 ZnO薄膜用作透明电极  25-26
    1.2.3 ZnO薄膜用作吸波材料  26-27
    1.2.4 场致发射显示器(FED)  27
  1.3 ZnO材料研究面临的问题  27-28
  1.4 本文研究的思路和主要内容  28-30
  参考文献  30-34
第二章 ZnO薄膜的制备和表征  34-48
  2.1 磁控溅射技术  34-38
    2.1.1 磁控溅射技术  34-35
    2.1.2 磁控溅射实验装置  35-36
    2.1.3 设备的主要技术参数  36-38
  2.2 ZnO薄膜的其它制备技术  38-43
    2.2.1 原子层外延法(ALE)  38
    2.2.2 分子束外延技术(MBE)  38-39
    2.2.3 等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)  39
    2.2.4 固态源化学气相沉积(SSCVD)  39-40
    2.2.5 金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)  40-41
    2.2.6 激光脉冲沉积(PLD)法  41-42
    2.2.7 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)  42
    2.2.8 喷雾热解法(Spray Pyrolysis)  42-43
  2.3 基片的清洗  43-44
  2.4 样品沉积参数  44-45
  2.5 薄膜的表征  45-47
    2.5.1 膜厚的测量[1]  45
    2.5.2 X射线衍射分析(XRD)[2]  45
    2.5.3 透射电子显微镜(TEM)  45
    2.5.4 扫描电子显微镜分析(SEM)  45
    2.5.5 X射线光电子谱(XPS)[4]  45-46
    2.5.6 傅立叶变换红外光谱分析(FTIR)[6,7]  46
    2.5.7 荧光光谱仪  46
    2.5.8 紫外透射和吸收谱  46
    2.5.9 Raman光谱分析  46-47
  参考文献  47-48
第三章 沉积气压对不同气氛的ZnO薄膜的结构与光学性能影响  48-62
  3.1 ZnO薄膜的结构  49-57
    3.1.1 薄膜的XRD分析  49-53
    3.1.2 ZnO薄膜的形貌  53-57
  3.2 ZnO薄膜的光学性质  57-60
    3.2.1 ZnO薄膜的透射谱分析  57-59
    3.2.2 ZnO薄膜的PL谱分析  59-60
  3.3 本章小结  60-61
  参考文献  61-62
第四章 沉积气压对Zn_(0.975)Cu_(0.025)O结构的影响  62-70
  4.1 25%N_2气氛下Zn_(0.975)Cu_(0.025)O薄膜的结构  62-65
  4.2 25%N_2气氛下Zn_(0.975)Cu_(0.025)O薄膜的形貌  65-68
  4.3 本章小结  68-69
  参考文献  69-70
第五章 讨论与结论  70-72
硕士期间发表论文  72-73
致谢  73-74
详细摘要  74-76

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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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