磁控溅射制备ZnO及Ag掺杂ZnO纳米薄膜的结构及其光学特性研究

论文摘要

随着信息技术的迅猛发展,用光代替电子作为信息的载体,加快信息的传递速度,已成为光通讯技术和光电子计算机发展的必然趋势。光电子信息材料是本世纪最受关注的材料之一。在光电子学、光化学、微电子学等领域,ZnO必将成为未来半导体材料研究中最具前景的材料之一。ZnO薄膜的结构及其光学特性强烈的依赖于制备条件,例如衬底温度、沉积方法、工作气压、溅射氧分压及衬底类型等。本论文中,为了系统的研究制备条件对ZnO纳米薄膜显微结构及其光学特性的影响,用射频反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备出了八个具有c轴高择优取向的ZnO薄膜样品（T1,T2,T3,T4,P1,P2,P3,P4,P5,其中T4与P2同）,应用X射线衍射仪、紫外—可见分光光度计、扫描探针显微技术、荧光分光光度计关于衬底温度、氧分压对于ZnO薄膜样品结构及其光学特性的影响作了详细的分析研究。结构分析部分研究结果表明,所制备样品的半高宽、晶粒尺寸作为衬底温度以及氧分压的函数时表现出规律性的变化;合适的衬底温度以及溅射氧分压有利于提高ZnO薄膜的结晶质量;当工作气压恒定时,用射频反应磁控溅射制备的ZnO薄膜的生长行为主要取决于成膜空间中氧的密度。对8个样品进行光吸收谱测量,观察到薄膜在紫外区显示出较强的光吸收,在可见光区的平均透过率达到90﹪以上。随着衬底温度的升高,薄膜的光学带隙减小、吸收边红移;随着氧分压的不断增大,五个薄膜样品的光学带隙表现出不同的实验值。采用量子限域模型对薄膜的光学带隙作了相应的理论计算,计算结果与实验拟合值符合得较好。这也表明ZnO纳米晶粒较小时,薄膜光学带隙的变化与量子限域效应有很大关系。在室温下测量四个样品（T1,T2,T3,T4）的光致发光谱（PL）,观察到波长位于400nm左右的紫光、446nm左右的蓝色发光峰及502nm左右微弱的绿光峰。实验发现,随衬底温度升高,样品的PL谱中紫光及蓝光强度迅速增大,同时,绿光峰的强度也表现出一定程度的增强。经分析得出紫光应是激子发光所致,而锌填隙则是引起蓝光发射的主要原因,502nm左右的绿光峰应该是氧的深能级缺陷造成的,并结合对样品吸收谱的拟合结果作了进一步的验证。此外,采用射频反应磁控溅射法在玻璃衬底上制备出含银量不同的银掺杂ZnO薄膜,利用X射线衍射仪、紫外分光光度计及荧光分光光度计研究了不同Ag掺杂量对ZnO薄膜结构及荧光发射的影响。在室温下测量样品的光致发光谱（PL）,所有样品都出现了468nm左右的蓝色发光峰,掺杂以后的样品观察到波长位于368nm左右的较强紫外发射。结合X射线衍射仪、紫外可见分光光度计等的测量结果,分析认为,样品紫外光发射的显著增强源于Ag掺杂以后Ag纳米团簇和ZnO晶粒界面形成的大量激子,而蓝光的发射来源于Zn2+空位。从所制备样品的光学透射谱我们发现,随着Ag掺杂量的增大,光学带边先向短波长移动,随后向长波长移动,对所制备样品的光学带隙用量子限制模型作了理论计算,计算结果与实验结果符合的较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO 简介
• 1.2 ZnO 半导体光电子信息功能材料的研究背景及意义
• 1.3 本论文的研究思路和主要内容
• 参考文献
• 第二章 ZnO 薄膜的制备
• 2.1 ZnO 薄膜常用的制备方法
• 2.2 ZnO 薄膜样品的制备
• 2.3 纳米薄膜测试技术
• 参考文献
• 第三章 衬底温度对ZnO 薄膜结构及其光学特性影响的研究
• 3.1 衬底加温对ZnO 薄膜结构的影响
• 3.2 衬底温度对ZnO 薄膜光吸收特性的影响
• 3.3 生长温度对ZnO 薄膜光致发光特性影响的研究
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 氧分压对ZnO 薄膜结构及其光学特性影响的研究
• 4.1 氧分压变化对ZnO 薄膜结构的影响
• 4.2 氧分压变化对ZnO 薄膜光吸收特性的影响
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 Ag 掺杂对ZnO 薄膜结构及其紫外荧光发射的影响
• 5.1 Ag 掺杂ZnO 基纳米薄膜的制备
• 5.2 结果及讨论
• 5.3 总结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 ZnO 薄膜材料研究的展望
• 致谢
• 附录: 作者攻读硕士期间发表和已完成的论文