溶胶—凝胶法制备Zn1-xMgxO薄膜及其性能研究

论文摘要

氧化锌是一种Ⅱ-Ⅺ族宽禁带隙（3.30eV）氧化物半导体材料。具有较大的激子束缚能（～60meV），可以实现室温下的紫外受激辐射，是一种很有前途的紫外光电子器件材料，极具开发和应用价值，特别是ZnO薄膜紫外激射的发现，使它成为国内外在半导体材料研究中的新热点。传统上，ZnO薄膜被广泛应用于声表面波器件、体声波器件、气敏传感器、压敏电阻、透明电极、紫外探测器等领域。近年来，ZnO作为宽禁带半导体光电材料的研究越来越受到人们的重视。ZnO薄膜有许多优点，如生长温度低，介电常数低，机电耦合系数大，温度稳定性好，光透过率高，受激辐射阈值低，化学性能稳定等。由于ZnO单晶生长困难、价格昂贵、尺寸小（仅有1cm3大小的单晶），难以满足各种应用的需要，因此对各种ZnO薄膜制备技术的研究和开发成为ZnO材料及器件应用研究的一个重要方向。目前，比较好的成膜技术有分子束外延（MBE）和脉冲激光沉积法（PLD）。但成本太高，不能实现大面积成膜。本论文采用溶胶一凝胶（Sol-Gel）工艺制备ZnO及ZnMgO合金薄膜，详细研究了升温速率、薄膜厚度、退火温度等工艺参数对薄膜的结晶质量和发光性能的影响。取得了一些有意义的结果。主要内容如下：1、采用溶胶—凝胶工艺使用不同的有机试剂在玻璃衬底上制备了ZnO薄膜，X射线衍射仪（XRD）结果表明，ZnO薄膜均为纤锌矿结构。但是使用乙二醇甲醚制备的ZnO薄膜呈现自由生长的特点；相反，使用聚乙烯纯所制备的ZnO薄膜则具有C柱择优取向生长的特性。2、室温下样品光致发光光谱的测量结果表明，所有的样品均有两个发射带，即近带边紫外发射和可见发射带。随退火温度的升高，样品的紫外发射带增强，可见光发射逐渐减弱，当退火温度升为600℃时，紫外发射最尖锐，几乎观察不到可见光发射。3、测量生长在玻璃基底上的氧化锌薄膜的吸收光谱，结果表明：样品在380nm附近有一陡峭的吸收边，所对应的能量值为3.20eV。ZnO薄膜透射光谱的测量结果表明：样品在可见光波段的平均透过率为85％。4、采用溶胶—凝胶法在玻璃衬底上制备Zn1-xMgxO（X=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7）合金薄膜。XRD衍射测试表明：在0.1＜x＜0.3范围内，合金薄膜仍然保持氧化锌六角型纤锌矿结构，（002）衍射峰位随x的增大向大角度方向移动，在X≥0.3的范围内，合金薄膜的结构则为氧化锌和氧化镁的混合结构；室温光致发光谱表明：ZnMgO合金薄膜PL谱都是由较强的紫外发射带组成，且随着Mg含量的增加紫外发射峰位发生蓝移，同时可见发射增强。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 引言
• 参考文献
• 第一章 综述
• 1.1 ZnO薄膜的基本特性
• 1.1.1 ZnO薄膜的晶体结构
• 1.1.2 ZnO薄膜的光电性质
• 1.1.3 ZnO薄膜的气敏性质
• 1.1.4 ZnO薄膜的压敏性质
• 1.1.5 ZnO薄膜的紫外受激发射性质
• 1.1.6 掺杂ZnO薄膜的磁学性质
• 1.1.7 ZnO薄膜的压电性质
• 1.2 ZnO薄膜的研究现状及进展
• 1.3 ZnO材料研究中存在的问题
• 1.4 本论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 氧化锌薄膜制备技术及表征手段
• 2.1 ZnO薄膜的制备方法
• 2.1.1 射频溅射法
• 2.1.2 分子束外延法
• 2.1.3 化学气相沉积法
• 2.1.4 脉冲激光沉积法
• 2.1.5 溶胶—凝胶法
• 2.1.6 电子束蒸发法
• 2.1.7 锌膜氧化法
• 2.2 样品的分析和表征手段
• 2.2.1 X射线衍射仪（XRD）
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.3 荧光光谱
• 参考文献
• 第三章 溶胶—凝胶法原理和发展
• 3.1 引言
• 3.2 Sol-gel技术的分类与机理
• 3.2.1 胶体溶胶—凝胶法
• 3.2.2 金属有机物转变为无机聚合物的凝胶法
• 3.2.3 形成有机聚合物的凝胶法
• 参考文献
• 第四章 采用Sol-gel方法制备ZnO薄膜
• 4.1 ZnO薄膜的制备（方法一）
• 4.1.1 KW匀胶机
• 4.1.2 ZnO薄膜的制备
• 4.1.3 实验结果和讨论
• 4.1.3.1.不同退火模式对纯ZnO薄膜的微结构影响
• 4.1.3.1.1 A退火过程对ZnO薄膜微结构的影响
• 4.1.3.1.2 B退火过程对ZnO薄膜微结构的影响
• 4.1.3.1.3 比较以上两种不同退火过程
• 4.2 ZnO薄膜的制备（方法二）
• 4.2.1 实验结果和讨论
• 4.2.1.1 不同退火温度对ZnO薄膜结晶程度的影响
• 4.2.1.2 ZnO薄膜的光致发光谱分析
• 4.2.1.3 ZnO薄膜的吸收光谱分析
• 4.2.1.4 有无参考片（玻璃）对ZnO薄膜透射率的影响
• 4.2.1.5 ZnO薄膜的透射光谱分析
• 参考文献
• 1-xMg_x O合金薄膜及性能研究'>第五章 采用PVA方法制备Zn_1-xMg_xO合金薄膜及性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果和讨论
• 1-xMg_x O合金薄膜的XRD分析'>5.3.1 Zn_1-xMg_xO合金薄膜的XRD分析
• 1-xMg_x O合金薄膜结构的影响'>5.3.1.1 层数对Zn_1-xMg_xO合金薄膜结构的影响
• 1-xMg_x O合金薄膜结构的影响'>5.3.1.2 升温速率对Zn_1-xMg_xO合金薄膜结构的影响
• 1-xMg_x O合金薄膜择优取向的影响'>5.3.1.3 退火温度Zn_1-xMg_xO合金薄膜择优取向的影响
• 1-xMg_x O合金薄膜晶化程度的影响'>5.3.1.4 退火温度Zn_1-xMg_xO合金薄膜晶化程度的影响
• 0.8Mg_0.2O合金薄膜样品的表面形貌'>5.3.1.5 Zn_0.8Mg_0.2O合金薄膜样品的表面形貌
• 2+的含量对Zn_1-xMg_x O合金薄膜结构的影响'>5.3.1.6 Mg²⁺的含量对Zn_1-xMg_xO合金薄膜结构的影响
• 2+的含量对Zn_1-xMg_x O合金薄膜晶格常数的影响'>5.3.1.7 Mg²⁺的含量对Zn_1-xMg_xO合金薄膜晶格常数的影响
• 1-xMg_xO薄膜结构与Mg²⁺的含量之间的关系'>5.3.1.8 Zn_1-xMg_xO薄膜结构与Mg²⁺的含量之间的关系
• 1-xMg_x O合金薄膜的发光性能的表征'>5.3.2 Zn_1-xMg_xO合金薄膜的发光性能的表征
• 1-xMg_x O合金薄膜光致发光的影响'>5.3.2.1 升温速率对Zn_1-xMg_xO合金薄膜光致发光的影响
• 2+的含量对Zn_1-xMg_x O合金薄膜光致发光的影响'>5.3.2.2 Mg²⁺的含量对Zn_1-xMg_xO合金薄膜光致发光的影响
• 1-xMg_xO合金薄膜光致发光的影响'>5.3.2.3 不同的退火温度对Zn_1-xMg_xO合金薄膜光致发光的影响
• 1-xMg-x O合金薄膜吸收光谱的影响'>5.3.2.4 升温速率对Zn_1-xMg-x O合金薄膜吸收光谱的影响
• 2+的含量对Zn_1-xMg_xO合金薄膜吸收光谱的影响'>5.3.2.5 Mg²⁺的含量对Zn_1-xMg_xO合金薄膜吸收光谱的影响
• 0.8Mg_0.2O薄膜吸收光谱的影响'>5.3.2.6 退火温度对Zn_0.8Mg_0.2O薄膜吸收光谱的影响
• 1-xMg_xO合金薄膜透射光谱的影响'>5.3.2.7 升温速率对Zn_1-xMg_xO合金薄膜透射光谱的影响
• 1-xMg_xO薄膜透射光谱的影响'>5.3.2.8 不同含量对Zn_1-xMg_xO薄膜透射光谱的影响
• 0.8Mg_0.2O薄膜透射光谱的影响'>5.3.2.9 退火温度对Zn_0.8Mg_0.2O薄膜透射光谱的影响
• 参考文献
• 第六章 结论
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文