基于ECR等离子体辅助脉冲激光沉积的氧化锌薄膜制备与氮掺杂

论文摘要

本论文主要研究方向为利用激光烧蚀和微波放电联合作用摸索一种制备氧化锌薄膜材料的新方法,并在此基础上研究氧化锌的性质和氮掺杂。这种方法结合了脉冲激光沉积法和电子回旋共振（electron cyclotron resonance）微波放电两种技术的优点,形成了独特的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）技术。基于这种技术,我们成功制备了氧化锌（ZnO）薄膜,并对所生长的氧化锌薄膜进行了表征分析和性质研究。此外,运用这种技术,也可以用于实现氧化锌薄膜的氮掺杂,本文也介绍了对于ECR辅助脉冲激光沉积法进行氮掺杂技术的尝试。脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation,PLA）是在激光问世后不久人们研究强激光与物质相互作用时发现的一种独特的现象,人们利用这一现象发展了一种称为脉冲激光沉积（pulsed laser deposition,PLD）的薄膜制备技术,并尝试用于薄膜的沉积。但是由于当时条件和认识的限制,这种方法的优点并不明显。然而,自从PLD成功地应用于高温超导薄膜的制备以来,这一技术受到了普遍的关注,通过这种技术实现了多种薄膜材料的制备。电子回旋共振（electroncyclotron resonance）微波放电可以在低工作气压下产生密度高、电离度高的等离子体,将这两种技术结合起来,就可以成为一种新的薄膜制备方法。其基本过程和特点为:对气体进行ECR微波放电引发高活性的ECR等离子体,在ECR等离子体环境中用脉冲激光束烧蚀相应的靶材引发PLA等离子体,在两种等离子体的交迭区域ECR等离子体中的活性成分和被激光烧蚀出来的靶物质发生气相反应,低能等离子体束流同时轰击衬底和膜层又能有效促进成核和膜层形成,而该方法的非平衡特性还能突破某些平衡热力学的限制。本文材料的制备的主要方法就是ECR等离子体辅助脉冲激光沉积,不但成功制备了氧化锌（ZnO）薄膜,还实现了ZnO薄膜的氮掺杂。本文还就ZnO薄膜的制备把用ECR等离子体辅助脉冲激光沉积方法和常规的脉冲激光沉积方法进行了比较。ZnO材料是一种良好的直接带隙、宽禁带半导体材料。ZnO的直接宽带隙以及其他优良特性使得ZnO有可能成为制作新一代蓝光甚至紫外光发发射器件的新型材料。然而,由于氧化锌制备容易出现“富锌”现象,通常制备所得的氧化锌薄膜为n型半导体薄膜,限制了ZnO材料的应用。根据之前的研究,制备氧化锌薄膜的过程中容易产生杂质,影响其电学、光学特性。同时,现在使用的半导体集成一般在Si衬底上进行,而目前常用的高温条件下在Si表面制备ZnO的方法容易在称底和膜层之间形成氧化硅中间层。因此在室温下制备物理特性优良的氧化锌薄膜具有重要的实验意义。本文将介绍我们使用PLD进行ZnO薄膜的探索以及研究结果。在研究中发现,单纯使用激光脉冲沉积法确实能够制备氧化锌薄膜,但是通过这样的方法制备的氧化锌薄膜物理特性较差,在没有退火之前并没有出现c轴方向生长的特点。因此我们对实验条件进行了调整,并发现在使用ECR-PLD方法后,在室温下生长的ZnO薄膜特性得到了很大的改善,尤其在晶体结构方面,在Si（100）衬底上形成了方向性良好的ZnO薄膜,并且具有良好的物理特性。氧化锌薄膜的另一个重要研究领域就是元素掺杂。经过不同元素的掺杂,氧化锌材料会显示不同的特性,包括磁学特性和电学特性。而使用I族、V族元素进行电学掺杂是形成p型氧化锌薄膜重要的探索。通过使用ECR-PLD的方法,我们可以较为方便的对氧化锌进行氮元素掺杂。通过多种表征方法,证明通过这种方法所制备的氧化锌薄膜确实实现了氮元素掺杂,同时也发现氮掺杂改进了薄膜的性质。有关ZnO的工作已取得了很大的进展,包括材料薄膜、性质研究等,然而ZnO材料距广泛的实用阶段仍有一定的距离,尚待解决的问题之一是p型ZnO材料的制备,目前的主要采用的手段是通过掺杂实现导电类型的转换。本文主要应用ECR-PLD方法摸索了一种制备ZnO薄膜的新方法,常温条件在Si（100）沉底上成功制备具有较好c轴取向的ZnO纳米晶薄膜,并用ECR-PLD方法以原位掺杂方式实现了ZnO薄膜的氮掺杂。这些是本文的主要结果和创新之处。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 脉冲激光烧蚀和脉冲激光沉积
• 1.1.1 脉冲激光烧蚀（PLA）
• 1.1.2 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.2 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积
• 1.2.1 ECR等离子体
• 1.2.2 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积法
• 1.2.3 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积装置
• 1.3 ZnO薄膜性质及掺杂
• 1.3.1 ZnO材料
• 1.3.1.1 概述
• 1.3.1.2 ZnO晶体结构
• 1.3.2 ZnO薄膜制备方法
• 1.4 本文的研究内容和安排
• 第二章 常温脉冲激光沉积制备ZnO薄膜
• 2.1 实验目的与意义
• 2.2 ZnO的制备
• 2.3 ZnO薄膜的表征和结果讨论
• 2.3.1 原子力显微镜（AFM）观察
• 2.3.1.1 在Si上制备的ZnO薄膜
• 2/Si上制备的氧化锌薄膜'>2.3.1.2 在SiO₂/Si上制备的氧化锌薄膜
• 2.3.2 高能离子背散射（HEIBS）分析
• 2.3.3 紫外可见光透射谱测量
• 2.3.4 射线衍射谱（XRD）表征
• 2.3.5 拉曼光谱（Raman）分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积ZnO薄膜
• 3.1 ECR辅助PLD的实验目的与成膜机理
• 3.1.1 ECR辅助PLD实验目的
• 3.1.2 ECR辅助脉冲激光沉积成膜机理
• 3.2 ZnO薄膜的制备
• 3.3 膜层的分析表征
• 3.3.1 高能离子背散射（HEIBS）分析
• 3.3.2 原子力显微镜（AFM）观察
• 3.3.3 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 3.3.4 射线衍射谱（XRD）表征
• 3.3.5 拉曼光谱（Raman）分析
• 3.3.6 紫外可见光透射谱测量
• 3.4 ECR-PLD成膜的影响因素研究
• 3.4.1 脉冲激光能量对于成膜的影响
• 3.4.2 不同衬底对于成膜的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积ZnO:N薄膜
• 4.1 氧化锌掺杂
• 4.2 使用ECR辅助PLD实现氮掺杂
• 4.3 使用ECR辅助脉冲激光的掺氮ZnO薄膜的制备
• 4.4 膜层的分析表征
• 4.4.1 射线衍射谱（XRD）表征
• 4.4.2 拉曼光谱（Raman）分析
• 4.4.3 紫外可见光透射谱测量
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 后记