超声喷雾热解法制备ZnO薄膜及其性能研究

论文摘要

本文介绍了ZnO的基本性质及其应用，论述了ZnO薄膜的制备方法及原理，综述了ZnO薄膜研究的最新进展。着重介绍ZnO及其掺杂薄膜在节能镀膜玻璃和薄膜太阳电池方面的应用，概括阐述了低辐射镀膜玻璃和薄膜太阳电池用绒面结构ZnO透明导电薄膜（ZnO-TCO）的发展概况、应用原理及常用的制备方法等。本实验以六水合硝酸锌（Zn（NO3）26H2O）水溶液作为前驱体，使用自制的超声喷雾热解装置在玻璃衬底上制备得到ZnO薄膜，利用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、表面形貌测量仪（DEKTAK6M）、紫外-可见光光谱仪（UV-Vis Spectrometer）等测试手段对ZnO薄膜的微观结构和光学性能进行表征。本实验研究了各种生长条件，例如前驱物溶液中Zn2+浓度、沉积时间和衬底温度等工艺参数对ZnO薄膜结构和性能的影响。实验结果表明，适宜的衬底温度、前驱体中Zn2+浓度及合理的退火制度是制备出具有优良的均匀性和致密性薄膜的关键因素。温度上升有利于制备出c轴取向生长的ZnO薄膜，在500℃时，可以沉积出高质量c轴择优取向的ZnO薄膜。当前驱体溶液的浓度从0.1M增加到0.3M时，ZnO薄膜的结晶性能越来越好，c轴取向性也越来越大。但过高的前驱体溶液浓度和衬底温度却会降低薄膜的致密性。通过对紫外-可见光谱的分析，发现ZnO薄膜可见光区的透过率同ZnO的微观结构变化有关。在衬底温度为500℃、前驱体溶液浓度为0.3M、沉积镀膜时间30min、退火温度500℃、退火时间60min条件下制备出的薄膜均匀致密，同时也具有良好的可见光透过率，可以达到90%，而在退火温度为600℃时，薄膜具有较退火温度为500℃时更加显著地c轴择优取向，但由于薄膜表面氧空位缺陷的增多，使得透过率降为80%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第二章 文献综述
• 2.1 引言
• 2.2 ZnO 的基本性质
• 2.2.1 ZnO 的晶体结构
• 2.2.2 ZnO 的光电性质
• 2.2.3 压电特性
• 2.2.4 压敏特性
• 2.2.5 气敏特性
• 2.3 氧化锌的应用
• 2.3.1 氧化锌在低辐射玻璃上的应用
• 2.3.1.1 低辐射镀膜玻璃的分类
• 2.3.1.2 半导体单层膜低辐射玻璃
• 2.3.2 氧化锌在太阳能电池上的应用
• 2.3.2.1 太阳能电池的工作原理简介
• 2.3.2.2 薄膜太阳能电池
• 2.3.2.3 绒面氧化锌铝薄膜（ZAO）在太阳能电池中的应用
• 2.3.3 氧化锌在紫外探测器上的应用
• 2.3.4 氧化锌在声表面波器件上的应用
• 2.3.5 氧化锌在 ELD 上的应用
• 2.4 氧化锌薄膜的制备技术
• 2.4.1 真空蒸发镀膜法
• 2.4.2 真空溅射镀膜法
• 2.4.3 磁控电子阴极真空溅射镀膜法
• 2.4.4 化学气相沉积法（CVD）
• 2.4.5 电浮法镀膜
• 2.4.6 溶胶-凝胶法镀膜
• 2.4.7 喷雾热解法
• 2.4.8 分子束外延（MBE）
• 2.4.9 激光脉冲沉积法
• 第三章 超声喷雾实验装置的设计及原理
• 3.1 引言
• 3.2 USP 技术简介
• 3.2.1 USP 发展史
• 3.2.2 超声喷雾热解技术沉积 ZnO 薄膜的研究现状
• 3.3 USP 技术优点
• 3.4 USP 技术原理
• 3.4.1 超声雾化原理
• 3.4.2 热解沉积机理
• 3.5 实验过程
• 3.5.1 主要原料
• 3.5.2 实验设备及测试仪器
• 3.5.3 实验样品的制备过程
• 3.5.3.1 前驱体溶液的配置
• 3.5.3.2 衬底的清洗及干燥
• 3.5.3.3 薄膜的制备
• 3.5.3.4 仪器的清洗及烘干
• 3.6 薄膜分析与测试方法
• 3.6.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.6.2 紫外-可见光谱测试
• 3.6.3 膜厚的测定
• 3.6.4 X 射线衍射
• 第四章 工艺参数对氧化锌薄膜微观结构及形貌的影响
• 4.1 引言
• 4.2 衬底温度
• 4.2.1 衬底温度对薄膜晶体结构的影响
• 4.2.2 衬底温度对薄膜生长速率的影响
• 4.2.3 衬底温度对薄膜微观形貌的影响
• 2+浓度'>4.3 前驱体溶液中 Zn²⁺浓度
• 2+浓度对薄膜生长速率的影响'>4.3.1 前驱体溶液中 Zn²⁺浓度对薄膜生长速率的影响
• 2+浓度对薄膜微观形貌的影响'>4.3.2 前驱体溶液中 Zn²⁺浓度对薄膜微观形貌的影响
• 4.4 沉积时间
• 4.5 退火制度
• 4.5.1 退火温度对薄膜晶体结构的影响
• 4.5.2 退火温度对薄膜微观形貌的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 工艺参数对氧化锌薄膜光学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 ZnO 薄膜的紫外-可见光透射光谱
• 5.2.1 衬底温度对薄膜光学性学的影响
• 5.2.2 前驱体溶液浓度对薄膜光学性能的影响
• 5.2.3 退火温度对薄膜光学性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 研究生期间发表的学术论文