Na、K与Mg共掺杂ZnO薄膜的制备及性能研究

论文摘要

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带化合物半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV。ZnO薄膜以其优良的压电性能、透明导电性能等使其在太阳能电池、压电器件、表面声波器件、气敏元件等诸多领域得到广泛应用,在紫外探测器、LED、LD等领域有着巨大的发展潜力。ZnO:Al薄膜具有与ITO薄膜相比拟的对可见光的高透过率和高电导,在氢等离子体的稳定性高,已成为替代ITO透明导电薄膜的研究热点。另外ZnO的P型掺杂也是近年来研究的另一个热点和难点问题。本文中介绍了国内外当前对ZnO薄膜的研究情况,文中主要采用溶胶凝胶法,以二水合乙酸锌为溶质,无水乙醇为溶剂,二乙醇胺为稳定剂,分别在玻璃上制备（Na,Mg）:ZnO和（K,Mg）:ZnO薄膜,并对薄膜进行XRD. SEM、光学性能以及电学性能测试,得出以下结论：（1）分别用旋涂法和提拉法制备ZnO薄膜,比较两者SEM图,发现提拉法所制备的样品表面更加的均匀致密,形貌优于旋涂法制备的样品。（2）采用提拉法在不同工艺条件下制备（Na, Mg）:ZnO薄膜,薄膜结构和性能会受掺杂浓度、退火温度、镀膜层数等工艺条件影响：掺杂后薄膜衍射峰与标准ZnO衍射峰相比都向小角度方向移动,晶格畸变,随着Na+浓度增加薄膜（002）衍射峰变弱,薄膜电阻率先随Na+浓度增加而减小后增大；Mg2+浓度增加薄膜吸收边发生明显蓝移,吸收波长变小,禁带宽度变大。退火温度为500℃时,薄膜结晶度最好,温度过高过低都不利于薄膜生长,镀膜层数增加时（002）晶面衍射峰也随之增强。（3）本实验将氯化钾和氯化镁作为掺杂源掺入ZnO制备（K, Mg）:Zn薄膜,当K+或Mg2+掺入量过高时表面会出现杂质堆积；适当掺入K+可以提高薄膜的透光性能,增大薄膜光学带隙；K+掺杂量的增加使（002）晶面衍射峰向小角度方向移动,衍射峰的半高宽变大,晶粒尺寸不断减小,平均粒径在30-40nm之间,薄膜的结晶度随之降低。薄膜最佳退火温度为550℃,此时薄膜表现出了良好的（002）晶面择优取向,晶粒尺寸达到90nm,比（Na, Mg）:ZnO薄膜退火温度高主要是因为K+半径比Na+半径大,需要更高的温度获取更多的能量才能很好的发生扩散和迁移。镀膜层数变化导致薄膜具有较好的（100）晶面择优取向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO薄膜研究的状况
• 1.2.1 国外研究
• 1.2.2 国内研究
• 1.2.3 ZnO的掺杂研究
• 1.2.3.1 ZnO的p型掺杂原理
• 1.2.3.2 I族元素的掺杂研究
• 1.2.3.3 V族元素掺杂研究
• 1.3 ZnO的晶体结构
• 1.4 ZnO薄膜的特性及应用
• 1.4.1 ZnO光电性能的应用
• 1.4.2 ZnO用作透明导电材料
• 1.4.3 ZnO用作光电器件的单片集成
• 1.4.4 ZnO用于制作表面声波器件
• 1.5 论文的选题及研究内容
• 1.5.1 论文的选题
• 1.5.2 本文主要研究内容
• 第二章 ZnO薄膜的制备方法和分析测试方法
• 2.1 ZnO薄膜的制备方法
• 2.1.1 磁控溅射法
• 2.1.2 脉冲激光沉积法（PLD）
• 2.1.3 分子束外延法（MBE）
• 2.1.4 化学气相沉积法（CVD）
• 2.1.5 溶胶-凝胶法（Sol-gel）
• 2.2 ZnO薄膜的测试方法
• 2.2.1 XRD测试分析（X-ray diffraction）
• 2.2.2 SEM（Scanning Electron Micrograph,扫描电镜）
• 2.2.3 紫外—可见分光光度计
• 2.2.4 ZnO薄膜电阻率测定
• 第三章 Na、Mg共掺杂制备ZnO及性能研究
• 3.1 溶胶—凝胶法的原理及优缺点
• 3.2 溶胶制备
• 3.3 衬底清洗
• 3.4 镀膜方法简介
• 3.4.1 旋转涂覆法
• 3.4.2 浸渍提拉法
• 3.5 ZnO薄膜的干燥、预处理及烧结
• 3.6 ZnO薄膜的制备工艺基本流程图
• 3.7 不同镀膜方法对ZnO薄膜性质影响
• 3.8 掺杂量对ZnO薄膜性质的影响
• 3.8.1 掺杂量对ZnO薄膜结构性质影响
• 3.8.2 掺杂量对ZnO薄膜光学性质的影响
• 3.8.3 掺杂量对薄膜表面形貌的影响
• 3.8.4 掺杂量对薄膜电阻率影响
• 3.9 退火温度对ZnO薄膜性质的影响
• 3.9.1 退火温度对薄膜结构性能的影响
• 3.9.2 退火温度对薄膜表面形貌的影响
• 3.9.3 退火温度对薄膜光学性能影响
• 3.10 镀膜层数对ZnO薄膜性质的影响
• 3.10.1 镀膜层数对结构性能的影响
• 3.10.2 镀膜层数对光学性能的影响
• 3.11 本章小结
• 第四章 K、Mg共掺杂ZnO薄膜的制备和光电性能研究
• 4.1 溶胶的制备
• 4.2 掺杂量对薄膜性质的影响
• 4.2.1 掺杂量对薄膜表面形貌的影响
• 4.2.1.1 掺K量不变,Mg含量改变
• 4.2.1.2 掺Mg量不变,K含量改变
• 4.2.2 掺杂量对薄膜光学性质的影响
• 4.2.2.1 掺Mg量不变,K含量改变
• 4.2.2.2 掺K量不变,Mg含量改变
• 4.2.3 掺杂量对薄膜电学性质的影响
• 4.2.4 掺杂量对薄膜结构性能的影响
• 4.2.4.1 掺Mg量不变,K含量改变
• 4.2.4.2 掺K量不变,Mg含量改变
• 4.3 预处理温度对薄膜性质的影响
• 4.3.1 预处理温度对薄膜表面形貌的影响
• 4.3.2 预处理温度对薄膜光学性能影响
• 4.4 退火温度对薄膜性质的影响
• 4.4.1 退火温度对薄膜表面形貌影响
• 4.4.2 退火温度对薄膜结构性能影响
• 4.4.3 退火温度对薄膜光学性能的影响
• 4.5 镀膜层数对薄膜的性质影响
• 4.6 能谱分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 Na、Mg共掺杂与K、Mg共掺杂性质比较
• 5.1 （Na,Mg）:ZnO与（K,Mg）:ZnO薄膜结构比较
• 5.2 （Na,Mg）:ZnO与（K,Mg）:ZnO薄膜光学性能比较
• 5.3 （Na,Mg）:ZnO与（K,Mg）:ZnO薄膜电学性能比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录: 硕士期间发表的论文及参加的活动