ZnO纳米晶薄膜的结构、发光和掺杂

论文摘要

电子回旋共振等离子体辅助脉冲激光沉积（electron cyclotron resonance plasma assisted pulsed laser deposition, ECR-PLD）是一种新颖的薄膜生长方法,它的原理是脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation, PLA）产生的激光等离子体和电子回旋共振（electron cyclotron resonance, ECR）微波放电等离子体发生相互作用和反应,最终在衬底上沉积得到目标薄膜。这种方法综合了PLD薄膜制备和ECR微波放电等离子体的优点,同时赋予成膜粒子额外的能量用于在膜层表面迁移进而改善成膜质量,因而特别适合低温条件下化合物薄膜的生长。本论文主要研究了这种方法在氧化锌（ZnO）纳米晶薄膜制备中的应用。利用这种方法,我们以高纯度的金属Zn作为靶材料,在ECR氧等离子体环境中用二倍频的纳秒Nd:YAG脉冲激光烧蚀Zn靶,成功合成了高质量的ZnO纳米晶薄膜,并且通过多种测试手段对所得ZnO薄膜的形貌、结构,以及光学特性进行了分析和表征。原子力显微镜的测试结果表明ZnO薄膜在表面均较为平整；对薄膜截面的SEM扫描测得薄膜沉积60分钟后厚度约为0.50um；拉曼光谱和傅立叶变换红外光谱证实了ZnO的六角纤锌矿结构；X射线衍射谱证实ZnO主要沿（002）晶向生长；透射谱展示了ZnO膜层在紫外-可见-近红外波段的透射率,并且通过对其吸收边进行拟合,得到ZnO薄膜的禁带宽度为3.31eV；同时我们采集到ZnO具有很高的光致发光强度,且明确了ZnO薄膜的发光为近带边紫外发光而非深能级缺陷发光。在此基础上,我们通过对Si衬底上生长的ZnO薄膜进行高温退火,比较不同温度退火后的ZnO薄膜的结构和光学性质的差异,来确定薄膜的最佳后处理条件。测试结果表明,我们采用ECR-PLD法制备的ZnO薄膜在600℃C退火后,得到了最优化的结构和光学特性。Si02和A1203作为薄膜生长中同样非常常见的两种衬底材料,同时也分别是目前普遍应用的介电材料和很有应用前景的高介电常数材料,研究这两种物质与ZnO薄膜的结合也具有重要意义。我们发现,在Si02和A1203衬底上生长ZnO薄膜与Si衬底上生长的ZnO薄膜的结构和光学性质大体相似,但仍有些区别。这些区别在退火后变得更加明显。在讨论中我们用ZnO膜层和衬底间的晶格失配和热失配,以及由此产生的应力等影响来解释这些现象。我们还对ECR-PLD法生长ZnO薄膜过程中实现掺杂进行了一些初步的探索。我们采用02、N2混合气体的ECR放电,实现ZnO薄膜中的N掺杂。由于ECR-PLD系统在成膜过程中,微波放电使气体电离具备较高的活性,就为ZnO的N掺杂提供了比较有利的条件。实验得到的ZnO薄膜发光性质较差,在退火后得到了明显改善。本论文详细地介绍了ECR-PLD法制备ZnO薄膜材料的方法,通过多种测试手段对这种方法合成的ZnO薄膜进行了分析和表征,并考察了退火和衬底对ZnO薄膜的影响。在此基础上,我们对ZnO的生长机理进行了一些讨论。在近十几年间,ZnO一直是半导体领域的研究热点,我们希望我们的工作能为ZnO在未来走向实用提供一定的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 脉冲激光烧蚀（PLA）和脉冲激光沉积（PLD）
• 1.2 电子回旋共振（ECR）、ECR等离子体
• 1.3 电子回旋共振辅助脉冲激光沉积（ECR-PLD）
• 1.4 ZnO材料概述
• 1.4.1 ZnO的物理性质
• 1.4.2 ZnO的应用前景
• 1.5 本文的研究内容和安排
• 第二章 ECR-PLD法制备ZnO纳米晶薄膜
• 2.1 ZnO纳米晶薄膜的制备装置
• 2.2 ZnO纳米晶薄膜的制备工艺
• 2.3 ZnO薄膜的形貌和结构
• 2.3.1 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 拉曼（Raman）散射光谱
• 2.3.4 傅立叶变换红外（FTIR）光谱
• 2.3.5 X射线衍射谱（XRD）
• 2.4 ZnO薄膜的光学性质
• 2.4.1 紫外-可见透射谱
• 2.4.2 光致发光（Photoluminescence,PL）
• 第三章 退火和衬底材料对ZnO性质的影响
• 3.1 退火温度的影响
• 3.1.1 晶体结构
• 3.1.2 ZnO的物相和晶格振动模式
• 3.1.3 室温光致发光
• 3.1.4 变温光致发光
• 3.2 衬底材料的影响
• 3.2.1 晶体结构
• 3.2.2 紫外-可见-近红外透射率
• 3.2.3 光致发光
• 第四章 ZnO薄膜掺杂改性初步分析
• 4.1 ZnO薄膜掺杂的意义和方法简介
• 4.1.1 ZnO的n型掺杂简介
• 4.1.2 ZnO的p型掺杂简介
• 4.2 ECR-PLD法实现ZnO薄膜的N掺杂
• 4.2.1 ECR-PLD法生长N掺杂ZnO薄膜的实验工艺
• 4.2.2 N掺杂ZnO薄膜的光致发光谱
• 4.2.3 N掺杂ZnO薄膜的拉曼光谱
• 4.3 PLD法实现ZnO的As掺杂
• 4.3.1 PLD法生长As掺杂ZnO薄膜的实验工艺
• 4.3.2 As掺杂ZnO薄膜的光致发光谱
• 4.3.3 As掺杂ZnO的拉曼光谱
• 4.3.4 As掺杂ZnO的紫外-可见-近红外透射谱
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 后记
• 研究生期间发表文章