电化学沉积制备ZnO纳米晶薄膜及其性能研究

论文摘要

以硝酸锌和硝酸钾混合溶液为电解液,采用两电极体系在FTO基片和p-Si（100）衬底上制备了c-轴取向的ZnO薄膜。通过改变电沉积过程的各种参数,获得了具有不同形态和性能的ZnO纳米晶薄膜。研究发现,改变沉积电压和外加超声振动能够对薄膜的形貌和结构产生强烈的影响;不同沉积电压下的薄膜生长方式不同,在较低电压下,薄膜生长方式为岛状生长;随着沉积电压的升高,薄膜的生长方式由岛状变为岛状-层状相结合的方式生长;当沉积电压达到2.8V以后,薄膜按照层状方式生长。本文用X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外-可见和紫外-荧光分光光度计分析了薄膜的相结构,晶粒尺寸、光学性能与发光特性。发现薄膜的（002）衍射峰随着沉积电压的增加而显著增强;从扫描电镜照片可以看出,薄膜中晶粒为典型的六方柱状结构,不同样品的晶粒尺寸介于100400nm之间。由于晶粒度大小不同,纳米晶薄膜的光学禁带宽度介于3.323.34eV。随着沉积电压的升高和沉积时间的延长,薄膜晶体颗粒逐渐长大,光学透过率降低。若在沉积过程中引入超声波,由于受到超声振动的抑制,薄膜晶粒的尺寸下降。若对衬底进行选择性腐蚀,使薄膜在生长初期有选择地成核,则可以制备纳米花状的ZnO纳米晶薄膜,其荧光受激发光有蓝移现象。在对ZnO/Si异质结施加电压时,异质结呈现明显PN结特性;在对ZnO/Si异质结加以光照时,异质结呈现了显著的光生电流特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氧化物半导体的研究进展
• 1.1.1 发展概论
• 1.1.2 新型的氧化物半导体材料－ZnO
• 1.2 ZnO 的结构性质
• 1.2.1 ZnO 的晶体结构
• 1.2.2 ZnO 的理化性质
• 1.2.3 ZnO 材料的发光特性
• 1.3 ZnO 薄膜的制备与表征
• 1.3.1 分子束外延
• 1.3.2 磁控溅射沉积
• 1.3.3 溶胶－凝胶法
• 1.3.4 脉冲激光沉积
• 1.3.5 化学气相沉积
• 1.3.6 喷雾热解法
• 1.3.7 电化学沉积
• 1.3.8 薄膜表征方法
• 1.4 ZnO 材料的应用
• 1.4.1 透明导电薄膜
• 1.4.2 压敏器件
• 1.4.3 发光器件与紫外光探测器件
• 1.4.4 缓冲层
• 1.4.5 表面声波器件
• 1.4.6 气敏元件
• 1.5 本文的研究目的与内容
• 第二章 电化学沉积ZnO 薄膜原理与方法
• 2.1 实验的前期准备
• 2.1.1 衬底清洗
• 2.1.2 电解液的配制
• 2.1.3 反应体系
• 2.2 ZnO 薄膜的电化学沉积及机理
• 2.2.1 电化学过程
• 2.2.2 薄膜的生长机制
• 2.2.3 超声振动的作用机理
• 2.2.4 样品退火和异质结制备
• 2.3 测试方法及原理
• 2.3.1 XRD 工作原理
• 2.3.2 扫描电镜工作原理
• 2.3.3 紫外－可见分光光谱
• 2.3.4 范德堡法测试电学性能
• 2.4 本章小结
• 第三章 工艺条件对ZnO 薄膜的影响
• 3.1 沉积电压对薄膜质量的影响
• 3.1.1 薄膜饱和厚度与沉积电压的关系
• 3.1.2 沉积电压对结晶取向的影响
• 3.1.3 沉积电压对表面形貌的影响
• 3.2 超声振动对薄膜质量的影响
• 3.3 PH 值对沉积过程的影响
• 3.4 晶粒间应变状态分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 纳米花状ZnO 薄膜的制备
• 4.1 研究意义
• 4.2 ZnO 纳米花状薄膜的制备
• 4.2.1 衬底清洗
• 4.2.2 ZnO 纳米花的制备与表面形貌分析
• 4.2.3 纳米晶薄膜的发光特性
• 4.3 本章小结
• 第五章 ZnO 薄膜的光电性能研究
• 5.1 范德堡法测电阻
• 5.1.1 范德堡电极的制备
• 5.1.2 范德堡法测量薄层电阻
• 5.2 异质结的光电效应
• 5.2.1 异质结的制备
• 5.2.2 光电效应原理
• 5.2.3 光电效应的测定
• 5.3 I-V 特性
• 5.3.1 I-V 特性测试
• 5.3.2 PN 结单向导电性的测定
• 5.4 本章小结
• 第六章 ZnO 薄膜的光学性能研究
• 6.1 光吸收测量
• 6.2 沉积时间对透过率的影响
• 6.3 超声辅助沉积对透过率的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的论文
• 研究生期间参与的研究项目