溶胶—凝胶法制备掺钇氧化锌薄膜及其性能研究

论文摘要

ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料,不仅光电性能优异、化学稳定性好、热稳定性高,且易于掺杂形成性能更为优异的材料,因而在太阳能电池、液晶显示器、短波长发光器件等领域具有广阔的应用前景。ZnO薄膜的制备技术有多种,相比较而言,溶胶-凝胶（sol-gel）法具有成膜均匀性好、与衬底附着力强、易于原子级掺杂及工艺简单等优点。本论文采用溶胶-凝胶法,用旋转涂覆技术在玻璃基底上进行了掺钇氧化锌（YZO）薄膜的制备、掺杂等相关内容研究。主要研究了陈化时间、掺杂浓度、预处理温度、退火温度以及镀膜层数对薄膜的结晶状况、表面形貌、电阻率和透光率等的影响,探讨了溶胶-凝胶法制备YZO薄膜过程中,YZO薄膜的晶体结构与透射率、禁带宽度及导电性能之间的关系。研究结果如下:（1）差热分析结果表明钇掺杂对ZnO薄膜的形成过程没有影响,且不存在与钇元素相关的相变,即掺入的钇大部分进入晶格。（2）晶体结构分析表明:所制备的YZO薄膜呈六角纤锌矿结构,且表现出（002）晶面的取向性生长。其中YZO薄膜最佳的制备条件是:Y掺杂浓度为0.5at%、陈化时间为72h、预处理温度为300℃、退火温度为500℃、涂覆5层,其（002）晶面的衍射峰最强、半高宽最小,即结晶性和c轴择优取向性最好。而Y掺杂浓度的增加将使得晶粒粒径减小,薄膜的结晶性能下降。（3）AFM分析表明YZO薄膜表面均匀致密,陈化时间的延长有利于薄膜的取向生长,同时粗糙度增大。（4）透射光谱表明:所制备的YZO薄膜在可见光波段的透射率均超过85%,由最佳条件制备的薄膜其透光率最高,达到90%,这与XRD结果相一致,说明结构与性能之间存在对应关系。（5）从YZO薄膜（αhv）2～hv的曲线看各种参数对薄膜的光学禁带宽度都有影响,其中掺杂浓度对禁带宽度的影响最大,其次是退火温度、镀膜层数。（6）电阻率测试结果显示随着掺杂浓度的增加,薄膜电阻率先减小后增大,掺杂浓度为1at%的薄膜其电阻率最低,为3.37×102Ω.cm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 ZnO的结构、性质及应用
• 1.1.1 ZnO的结构
• 1.1.2 氧化锌薄膜的性质及应用
• 1.2 ZnO薄膜的掺杂概况
• 1.2.1 ZnO薄膜的n型掺杂
• 1.2.2 ZnO薄膜的p型掺杂
• 1.2.3 ZnO薄膜带隙调整掺杂
• 1.3 ZnO薄膜的制备方法
• 1.3.1 溅射
• 1.3.2 脉冲激光沉积
• 1.3.3 化学气相沉积法
• 1.3.4 喷雾热分解法
• 1.3.5 溶胶-凝胶法（sol-gel）
• 1.4 本课题的研究目的和内容
• 第2章 YZO薄膜的溶胶-凝胶旋涂法制备及表征
• 2.1 试剂及仪器设备
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 实验器材和设备
• 2.2 薄膜的制备过程
• 2.2.1 溶胶的配置
• 2.2.2 衬底的选择原则和清洗
• 2.2.3 甩膜
• 2.2.4 预热处理
• 2.2.5 退火
• 2.3 薄膜的表征
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.3.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.3 同步热分析仪
• 2.3.4 nkd-薄膜分析系统
• 2.3.5 测量电阻率的四探针法
• 2.3.6 测量薄膜厚度的台阶仪法
• 第3章 YZO薄膜的结构分析和形貌观察
• 3.1 未掺杂和掺杂溶胶的TG-DTA分析
• 3.2 YZO薄膜的晶体结构
• 3.2.1 陈化时间对YZO薄膜晶体结构和形貌的影响
• 3.2.2 掺杂浓度对YZO薄膜晶体结构的影响
• 3.2.3 预处理温度对YZO薄膜晶体结构的影响
• 3.2.4 退火温度对YZO薄膜晶体结构的影响
• 3.2.5 层数对YZO薄膜晶体结构的影响
• 第4章 YZO薄膜的性能研究
• 4.1 YZO薄膜的光学性能
• 4.1.1 陈化时间对YZO薄膜光学性能的影响
• 4.1.2 掺杂浓度对YZO薄膜光学性能的影响
• 4.1.3 预处理温度对YZO薄膜光学性能的影响
• 4.1.4 退火温度对YZO薄膜光学性能的影响
• 4.1.5 层数对YZO薄膜光学性能的影响
• 4.2 YZO薄膜的电性能
• 第5章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况