溶胶—凝胶法制备铜、锂、银掺杂氧化锌薄膜及表征

论文摘要

ZnO是一种具有光电、气敏、压电等特性优良的多功能材料,它在室温下具有较高的禁带宽度和激子束缚能,在可见光范围内具有很好的透光性,在透明电极、发光器件、太阳能电池、气敏传感器等方面具有潜在的应用价值。多年来一直受到物理、化学、材料、电子等领域的格外关注。本文采用溶胶凝胶法在Si、ITO和普通玻璃衬底上,制备了未掺杂ZnO薄膜,Cu、 Li、Ag单掺杂ZnO薄膜及Cu与Li和Ag与Li共掺杂ZnO薄膜。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外可见光分光光度计、电化学工作站等分析仪器,研究了溶胶浓度、掺杂量、退火温度等对ZnO和掺杂ZnO薄膜结晶质量、表面形貌、光透过性、导电性等方面的影响。论文主要内容如下：首先,我们研究了未掺杂锌溶胶浓度对ZnO薄膜结构、形貌和光电特性的影响,结果表明当溶胶浓度为0.8mol/L时,未掺杂ZnO薄膜获得了较好的光电性能。在此基础上,我们分别制备了不同掺杂浓度的Cu、Li、Ag单掺杂ZnO薄膜,并研究了掺杂量、退火温度等参数对ZnO薄膜光电性能的影响,结果表明经550℃大气退火2h, Cu、 Li、Ag的掺杂量分别为0.001at%,3at%,7at%时,单掺杂ZnO薄膜获得了较好的光电性能,与未掺杂ZnO薄膜相比,其导电性分别提高了约40倍、200倍和250倍,在可见光范围内其透光率分别达80%,95%,90%以上。其次,在综合性能较好的单掺杂ZnO薄膜基础上,我们分别制备Cu与Li共掺杂和Ag与Li共掺杂ZnO薄膜,研究了Cu与Li和Ag与Li不同摩尔比掺杂量对共掺杂ZnO薄膜综合特性的影响。结果表明经550℃大气退火2h,Cu与Li、Ag与Li、Li与Ag摩尔比均为1：20时,共掺杂ZnO薄膜获得较好的光电性能,与未掺杂ZnO薄膜相比,其导电性分别提高了6倍、150倍、300倍,在可见光范围内其透光率分别达85%,95%,90%以上。此外,本文还研究了不同掺杂源、不同基片及薄膜厚度等因素对薄膜结构、形貌及光电特性的影响,并对相应单掺杂、共掺杂ZnO纳米颗粒进行了研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO的基本性质
• 1.3 光学特性
• 1.3.1 激子复合引起的发光
• 1.3.2 带间跃迁引起的发光
• 1.3.3 缺陷能级引起的发光
• 1.4 电学特性
• 1.5 溶胶凝胶法制备ZnO薄膜
• 1.6 影响ZnO薄膜光电特性的因素
• 1.6.1 溶胶的配制工艺
• 1.6.2 热处理
• 1.6.3 掺杂
• 1.6.4 其它方面
• 1.7 本文研究目的及意义
• 第2章 铜掺杂氧化锌薄膜的制备与表征
• 2.1 氧化锌薄膜的制备
• 2.1.1 实验所用的设备与器材
• 2.1.2 主要原料
• 2.1.3 实验流程
• 2.2 ZnO薄膜样品的表征手段
• 2.2.1 X射线衍射分析
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 透射电子显微镜
• 2.2.4 紫外可见光光度计
• 2.2.5 电化学工作站
• 2.2.6 膜厚轮廓仪
• 2.2.7 接触角仪
• 2.3 未掺杂ZnO薄膜样品的表征
• 2.3.1 结构分析
• 2.3.2 表面形貌分析
• 2.3.3 光学特性
• 2.3.4 电学特性
• 2.4 Cu-ZnO薄膜样品的表征
• 2.4.1 XRD 分析
• 2.4.2 表面形貌分析
• 2.4.3 光学特性
• 2.4.4 电学特性
• 2.4.5 接触角分析
• 2.5 不同退火温度对ZnO薄膜的影响
• 2.5.1 XRD 分析
• 2.5.2 表面形貌分析
• 2.5.3 光学特性
• 2.5.4 电学特性
• 2.5.5 透射电子显微镜表征
• 2.6 不同Cu掺杂源对Cu-ZnO薄膜的影响
• 2.6.1 XRD 分析
• 2.6.2 光学特性
• 2.6.3 电学特性
• 2.7 低浓度Cu掺杂ZnO薄膜
• 2.7.1 XRD 分析
• 2.7.2 表面形貌分析
• 2.7.3 光学特性
• 2.7.4 电学特性
• 2.7.5 透射电子显微镜分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 锂掺杂氧化锌薄膜的制备与表征
• 3.1 锂掺杂氧化锌薄膜的制备
• 3.2 Li-ZnO薄膜样品的表征
• 3.2.1 XRD 分析
• 3.2.2 表面形貌分析
• 3.2.3 光学性质
• 3.2.4 电学特性
• 3.2.5 接触角分析
• 3.3 不同退火温度对Li-ZnO薄膜性能的影响
• 3.3.1 XRD 分析
• 3.3.2 表面形貌分析
• 3.3.3 光学性质分析
• 3.3.4 电学特性分析
• 3.3.5 不同旋涂层数对Li-ZnO薄膜电学特性影响
• 3.3.6 透射电子显微镜分析
• 3.4 不同基片上Li-ZnO薄膜的表面形貌
• 3.5 本章小结
• 第4章 银掺杂氧化锌薄膜的制备与表征
• 4.1 银掺杂氧化锌薄膜的制备
• 4.1.1 主要原料
• 4.1.2 试验流程
• 4.2 Ag-ZnO薄膜样品的表征
• 4.2.1 XRD 分析
• 4.2.2 表面形貌分析
• 4.2.3 光学性质
• 4.2.4 电学性质
• 4.2.5 透射电镜分析
• 4.3 膜厚对Ag-ZnO薄膜样品电学特性的影响
• 4.3.1 不同旋涂层数薄膜的厚度
• 4.4 本章小结
• 第5章 共掺杂ZnO薄膜的制备与表征
• 5.1 共掺杂氧化锌薄膜的制备
• 5.1.1 Li-Cu共掺杂锌溶胶的配制
• 5.1.2 Cu-Li共掺杂锌溶胶的制备
• 5.1.3 Ag-Li共掺杂锌溶胶的制备
• 5.1.4 Li-Ag共掺杂锌溶胶的制备
• 5.2 Li-Cu共掺杂ZnO薄膜表征
• 5.2.1 XRD 分析
• 5.2.2 表面形貌分析
• 5.2.3 光学特性
• 5.2.4 电学特性
• 5.2.5 透射电镜分析
• 5.3 Cu-Li共掺杂ZnO薄膜表征
• 5.3.1 XRD 分析
• 5.3.2 表面形貌分析
• 5.3.3 光学特性
• 5.3.4 电学特性
• 5.3.5 透射电子显微镜分析
• 5.4 Ag-Li共掺杂ZnO薄膜
• 5.4.1 XRD 分析
• 5.4.2 表面形貌分析
• 5.4.3 光学特性
• 5.4.4 电学特性
• 5.4.5 透射电子显微镜表征
• 5.5 Li-Ag共掺杂ZnO薄膜
• 5.5.1 XRD 分析
• 5.5.2 表面形貌分析
• 5.5.3 光学性质
• 5.5.4 电学特性
• 5.5.5 透射电子显微镜表征
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文