ZnO和AZO薄膜的制备及特性研究

论文摘要

近年来,氧化锌（ZnO）作为一种新型的直接宽禁带半导体材料,受到了众多研究学者的关注。室温下ZnO的禁带宽度为3.37eV,这一特性使其具有出色的短波长发光能力。ZnO具有高达60meV的激子束缚能且激子在室温下可以稳定存在,因此,ZnO是制备室温紫外激光二极管（LDs）的理想材料。此外,ZnO还具有优良的光电、压电、气敏特性等。在ZnO众多的研究热点中,因为ZnO:Al（AZO）薄膜是优良的透明导电材料,有广泛的用途,故AZO薄膜备受关注。溶胶-凝胶法（sol-gel）制备AZO薄膜,影响薄膜质量的参数有Zn+2浓度,MEA与Zn2+的比例,老化时间,烧结温度等,这些参数备受人们关注,但人们对AZO薄膜的厚度效应研究却甚少。另外,对于ZnO薄膜材料而言,薄膜的取向生长也是一个重要的研究课题。制备出a轴取向生长ZnO薄膜对于提高发光二极管（LED）的发光强度、降低表面声波器声波传导过程中的能量损失具有重大的研究意义。本文采用sol-gel法制备AZO薄膜,全面系统的研究AZO薄膜的厚度效应。研究发现,用sol-gel法在非晶玻璃衬底上制备AZO薄膜,烧结温度500℃制备的薄膜具有良好的c轴择优取向,薄膜结晶性能良好。随薄膜厚度的增加,薄膜的平均晶粒尺寸有减小的趋势,这是薄膜的表面态效应与非晶A1203对氧化锌薄膜钉扎作用共同造成的结果。但不同厚度的AZO薄膜的表面形貌变化不大,故溶胶凝胶法制备AZO薄膜时,厚度对薄膜的生长方式没有影响。所制备的AZO薄膜旋涂次数小于7时,薄膜的透光率均达到95%以上,且随膜厚的增加变化不大。旋涂5次制备的AZO薄膜具有最大的面载流子浓度2.50×1013cm-2及最大的体载流子浓度5.55x1017cm-3和最低的面电阻率1.08×106ohm、体电阻率48.5ohm·cm。旋涂2-3次的薄膜电阻率、载流子浓度与5次薄膜的电阻率、载流子浓度为同一数量级,变化不大。但旋涂1次的AZO薄膜,它的载流子浓度要低一个数量级,电阻率高一个数量级。此变化是薄膜致密性增加,晶体缺陷减少造成的。不过,旋涂次数超过6的AZO薄膜的载流子浓度随膜厚的增加也变小了,这是由于薄膜厚度增加与薄膜平均晶粒尺寸减小造成的。综合AZO薄膜的各项性能,得出旋涂次数为5次时,制备的AZO薄膜具有最佳的各项光电性能。本文首次采用反胶束微乳液法,由实验出发探究a轴取向生长ZnO薄膜制备的具体工艺参数及生长机制,成功制备出具有a轴择优取向生长的ZnO纳米颗粒薄膜,并提出了ZnO薄膜的取向生长机制与生长原理。实验中异丙醇与环己烷的体积比始终为2：1。实验表明300℃-370℃是a轴取向ZnO薄膜制备的最佳预热温度,550℃是薄膜制备的最佳烧结温度。同时前驱液中Zn2+浓度越低,越利于a轴ZnO薄膜的制备,但浓度越低需要旋涂的次数越多,随薄膜厚度增加中途发生取向转变的几率越大。因此制备过程中选取乙酸锌水溶液的浓度为0.5mol·L-1、旋涂次数在15-20之间。旋涂次数太少时,观察不到薄膜的衍射峰,旋涂次数过多时,容易造成择优取向的改变。在实验的基础上,针对薄膜制备过程中容易出现的团聚与吞并现象,提出“先形核后生长”的薄膜制备过程,研究了ZnO薄膜的取向生长机制与原理,且验证了其正确性,为以后具有更优结构特性a轴择优取向ZnO薄膜的制备提供了理论依据。因为有关微乳液法制备具有a轴择优取向生长的ZnO薄膜的相关报道尚未出现,故为首次用微乳液法制备出具有良好a轴取向的ZnO薄膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 ZnO晶体结构
• 1.3 ZnO薄膜的特性及应用
• 1.4 ZnO薄膜的国内外研究进展
• 1.5 课题研究的内容、目的及意义
• 1.6 课题研究的创新点
• 第2章 实验方法与原理
• 2.1 ZnO气相生长方法
• 2.2 ZnO液相生长方法
• 2.2.1 溶胶-凝胶法（Sol-gel）原理
• 2.2.2 反胶束微乳液法的原理
• 2.3 实验分析技术及基本原理
• 第3章 AZO薄膜的制备及特性研究
• 3.1 实验用品的准备
• 3.2 前驱溶胶的配制
• 3.3 旋转涂膜及热处理过程
• 3.4 AZO薄膜的分析表征
• 3.4.1 多晶AZO薄膜的结构分析
• 3.4.2 AZO薄膜的表面形貌分析
• 3.4.3 AZO薄膜的光学特性研究
• 3.4.3.1 AZO薄膜的透光率与膜厚的关系
• 3.4.3.2 AZO薄膜的光学禁带宽度随厚度的变化
• 3.4.4 AZO薄膜的电学特性
• 3.5 本章小结
• 第4章 A轴取向ZnO薄膜的制备及生长机制研究
• 4.1 A轴择优取向的ZnO薄膜的制备过程
• 4.1.1 异丙醇（IPA）量的确定
• 4.1.2 反胶束微乳液的配置
• 4.1.3 薄膜沉积与热处理
• 2·2H₂O的差热-热重分析'>4.2 Zn（AC）₂·2H₂O的差热-热重分析
• 4.3 薄膜制备工艺参数的影响
• 4.3.1 预热温度的影响
• 4.3.2 热处理温度的选择
• 2+浓度的影响'>4.3.3 Zn²⁺浓度的影响
• 4.3.4 薄膜厚度的影响
• 4.4 ZnO薄膜的A轴取向生长机制与原理
• 4.4.1 ZnO薄膜的A轴取向生长原理
• 4.4.2 A轴取向生长原理的验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢