Mn掺杂氧化锌薄膜的制备与光学特性的研究

论文摘要

近年来,ZnO基稀磁半导体已成为当今材料研究领域中的热点,ZnMnO材料就是其中较为典型的一种。本文采用理论分析与物理实验相结合的研究方法,利用直流磁控溅射法在玻璃衬底上生长出ZnMnO薄膜。研究了ZnMnO的结构和光学性质,探讨了制备工艺及ZnMnO薄膜结构和光学性能的影响。对比研究了ZnMnO薄膜和ZnO薄膜的微观结构和表面形貌。X射线衍射谱显示薄膜只有一个衍射峰,表明ZnMnO薄膜具有很高的择优取向,具有与ZnO薄膜类似的六角纤锌矿结构,由于Mn2+代替Zn2+造成ZnMnO薄膜的衍射峰的2θ角较ZnO的2θ角蓝移;X射线光电子谱显示Mn2+已部分取代ZnO晶格中的Zn2+,但掺杂有少量的MnO2分子;原子力显微镜显示Mn的掺杂可改善ZnO薄膜的表面形貌。对比分析了ZnMnO薄膜和ZnO薄膜的光学性质。透射谱说明ZnO与ZnMnO在紫外区都具有一个陡峭的吸收边;因锰的掺杂造成ZnMnO薄膜的带隙变大,ZnMnO光学带隙约为3.219 eV;提出了一种由透射谱快速估算薄膜的禁带宽度的新方法;室温光致发光谱中观察到3个发光峰:391.8 nm的紫光峰,463.6 nm的蓝光峰和498.9 nm的绿光峰,紫光发射来自锰（锌）氧化物复合体,蓝光发射来自薄膜的内部点缺陷,绿光发射来自锌空位形成的受主能级到导带底之间的电子跃迁。讨论了薄膜的衬底温度、溅射功率及工作气压对ZnMnO薄膜的表面形貌、透过率、带隙及光致发光的影响,给出了本实验比较适宜的制备条件,衬底温度为200℃,溅射功率为100 W,工作气压为5Pa。重点研究了氧分压对ZnMnO薄膜结构及光学性能的影响,研究表明,氧分压为0.4时,薄膜具有最大的晶粒尺寸和禁带宽度,高度的c轴择优取向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO磁性掺杂的研究和理论基础
• 1.2.1 自旋电子学的概念
• 1.2.2 ZnO的结构与特性及研究现状
• 1.2.3 稀磁半导体
• 1.2.4 稀磁半导体材料磁性来源机制
• 1.3 研究课题的选取
• 1.4 Mn掺杂ZnO的研究进展
• 1.5 本论文的研究内容及结构
• 第二章 样品制备方法及表征手段
• 2.1 实验设备及原理
• 2.2 薄膜的制备
• 2.2.1 基片的清洗和选择
• 2.2.2 靶材的制备
• 2.2.3 薄膜的制备
• 2.3 样品的分析测试手段
• 2.3.1 X射线衍射仪
• 2.3.2 X射线光电子仪
• 2.3.3 原子力显微镜
• 2.3.4紫 外分光光度计
• 2.3.5 分子荧光光度计
• 2.4 本章小结
• 1-xMn_xO薄膜的结构表征和光学性能检测'>第三章 Zn_1-xMn_xO薄膜的结构表征和光学性能检测
• 3.1 Zn1-xMnxO薄膜的晶格结构
• 3.1.1 X射线衍射谱
• 3.1.2 X射线光电子能谱
• 1-xMn_xO薄膜的表面形貌分析'>3.2 Zn_1-xMn_xO薄膜的表面形貌分析
• 1-xMn_xO薄膜的透射谱研究'>3.3 Zn_1-xMn_xO薄膜的透射谱研究
• 1-xMn_xO薄膜吸收谱和光学带隙及其简化计算'>3.4 Zn_1-xMn_xO薄膜吸收谱和光学带隙及其简化计算
• 3.4.1 薄膜光学带隙的精确分析
• 3.4.2 薄膜光学带隙的简化计算
• 1-xMn_xO薄膜的发光性质研究'>3.5 Zn_1-xMn_xO薄膜的发光性质研究
• 3.5.1 紫光发射
• 3.5.2 蓝光发射
• 3.6 本章小结
• 1-xMn_xO薄膜性质的影响'>第四章 制备条件对Zn_1-xMn_xO薄膜性质的影响
• 4.1 衬底温度对薄膜性质的影响
• 4.1.1 表面形貌
• 4.1.2 X射线衍射
• 4.1.3 透射谱
• 4.1.4 光致发光谱
• 4.2 溅射功率对薄膜性质的影响
• 4.2.1 表面形貌
• 4.2.2 X射线衍射谱
• 4.2.3 透过谱
• 4.2.4 光致发光谱
• 4.3 工作气压对薄膜性质的影响
• 4.3.1 表面形貌
• 4.3.2 X射线衍射谱
• 4.3.3 透过谱
• 4.3.4 光致发光谱
• 4.4 氧分压对薄膜性质的影响
• 4.4.1 X射线衍射分析
• 4.4.2 原子力显微图分析
• 4.4.3 吸收及透射谱
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果