择优取向生长的ZnO薄膜的制备及氧化物薄膜生长过程的分子动力学模拟

论文摘要

氧化锌（ZnO）作为一种新型的直接宽禁带氧化物半导体材料,近年来受到了研究者的广泛关注。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。除此之外,ZnO还具有优良的压电、气敏、压敏等特性,而且原材料廉价丰富、无毒、化学稳定性及热稳定性好、抗辐射性强。因此,ZnO的诸多方面成为了研究的热点。其中,薄膜作为ZnO的主要形态结构,具有重要的研究意义和应用价值。目前,随着薄膜制备技术的发展和完善,几乎所有制备方法都可以用于ZnO薄膜的制备。其中,溶胶-凝胶（Sol-gel）方法因其低廉的成本、简单的制备工艺及在纳米材料合成方面的优势日益受到研究者的青睐。然而,薄膜质量的提高及薄膜择优取向生长的机制仍然是sol-gel法制备ZnO薄膜中亟需解决的关键问题。近年来,很多研究工作都是针对c轴取向生长的ZnO薄膜而且实验结果表明c轴取向ZnO薄膜的制备工艺已经相对成熟,但是在玻璃衬底上生长a轴取向ZnO薄膜的研究工作开展得很少。因此,进行a轴取向ZnO薄膜的制备研究将是一项具有创新性和挑战性的工作。本文利用sol-gel法制备了具有不同择优取向的ZnO纳米颗粒薄膜,同时具体分析了前驱溶胶中Zn2+及MEA浓度、旋涂次数、烧结温度等工艺参数对ZnO薄膜质量及生长取向的影响并对不同择优取向ZnO薄膜的生长机制进行了详细的研究。同时,本文采用分子动力学（Molecular dynamics,MD）方法模拟了MgO分子连续沉积于MgO（001）表面上的薄膜生长过程以及ZnO纳米团簇在ZnO（0001）表面上随温度变化的结构演变过程。Sol-gel法制备的c轴择优取向ZnO薄膜是由众多纳米颗粒紧密堆积形成的。工艺参数研究结果显示,Zn2+浓度、旋涂次数以及烧结温度变化对薄膜的结晶性和c轴择优取向性均具有较大影响,而MEA浓度对薄膜生长取向影响较小。当Zn2+浓度为0.4mol·L-1,MEA与Zn2+的摩尔浓度比值为2.0,重复旋涂5次时,经500℃烧结制备的ZnO薄膜具有最佳的c轴择优取向而且薄膜质量较好。Sol-gel法制备a轴择优取向ZnO薄膜的实验结果表明,a轴取向ZnO薄膜的生长要求很低的Zn2+浓度及适当的旋涂次数,sol-gel法在玻璃衬底上较难生长出连续的a轴取向ZnO薄膜。结合实验结果和纤锌矿ZnO的结构特点分析认为,紧密排列的ZnO晶粒之间强的偶极相互作用是导致ZnO薄膜在玻璃衬底上c轴择优取向生长的原因。而对于Zn2+浓度很低的前驱溶胶,晶粒间较大的距离削弱了偶极相互作用,致使ZnO晶粒的非极性a轴晶面更容易与非极性玻璃衬底结合,从而形成a轴择优取向的ZnO薄膜。MgO薄膜生长过程的MD模拟结果表明,随着衬底温度的升高,在衬底表面上沉积的MgO分子扩散能力增强,MgO薄膜层中空位缺陷变少。低温下,分子入射能的增大有助于提高衬底表面覆盖率;高温下,表面覆盖率随入射能增大到3.0eV时达到最大值,入射能继续增大,表面覆盖率减小。然而,ZnO纳米团簇结构演变过程的模拟结果显示模拟采用的两体势不适合ZnO团簇方面的模拟,有待进一步完善。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 ZnO及MgO的基本性质
• 1.3 ZnO薄膜的国内外研究现状
• 1.4 ZnO薄膜的应用
• 1.5 ZnO薄膜的制备技术
• 1.6 课题的研究内容、目的及意义
• 第2章 实验及模拟方法与原理
• 2.1 溶胶-凝胶法原理
• 2.2 分子动力学方法原理
• 2.3 实验分析技术
• 2.4 模拟结果分析技术
• 第3章 择优取向生长的ZnO薄膜的溶胶-凝胶法制备及其生长机制研究
• 3.1 ZnO薄膜的制备过程
• 3.1.1 实验用品的准备
• 3.1.2 前驱溶胶的配制
• 3.1.3 旋转涂膜及热处理过程
• 3.1.4 ZnO薄膜的分析表征
• 3.2 c轴择优取向的ZnO纳米薄膜的溶胶-凝胶法制备
• 2+浓度的影响'>3.2.1 Zn²⁺浓度的影响
• 3.2.2 MEA浓度的影响
• 3.2.3 旋涂次数的影响
• 3.2.4 烧结温度的影响
• 3.3 a轴择优取向的ZnO薄膜的溶胶-凝胶法制备
• 3.4 ZnO薄膜不同取向生长机制的研究
• 第4章 MgO（001）表面上沉积MgO薄膜过程的分子动力学模拟
• 4.1 MD模拟的基本过程
• 4.1.1 原子间相互作用势函数的选取
• 4.1.2 模拟初始条件的确定
• 4.1.3 模拟元胞及其周期性边界条件的确定
• 4.1.4 模拟系统趋于平衡计算
• 4.1.5 模拟结果分析
• 4.1.6 MD模拟计算流程
• 4.2 MD模拟模型
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 势函数及其参数的验证
• 4.3.2 衬底温度对沉积MgO薄膜的影响
• 4.3.3 MgO分子入射能对沉积MgO薄膜的影响
• 第5章 ZnO纳米团簇在ZnO衬底表面上结构演变过程的分子动力学模拟
• 5.1 模拟势函数及其参数的确定
• 5.2 结果与讨论
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表和在投的论文