Fe与Cu掺杂ZnO薄膜的溶胶凝胶旋涂法制备工艺及性能研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种直接带隙宽禁带（3.37 eV）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有较大的激子束缚能（60 meV）,可以在室温下实现紫外光的受激发射,为短波长发光器件和激光器应用提供了广阔的发展前景。近年来,对其研究和开发在国内外科学界及工业部门引起了极大的关注和兴趣。ZnO优异的特性和广泛的应用依赖于高质量,低成本的ZnO薄膜的制备。基于此,本文采用溶胶凝胶法制备出高质量的ZnO薄膜,并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见光谱仪（UV-Vis）、光致发光光谱（PL）等方法测试和分析了不同Fe、Cu掺杂浓度对ZnO薄膜的结构、形貌、光学性能的影响。并通过对ZnO薄膜的变温光致发光规律的分析,揭示了ZnO薄膜的紫外发射和可见光发射的可能发光机制。第一章,简述了ZnO的基本性质和基本结构,分析了制备ZnO薄膜常用的几种方法,比较了他们之间的优缺点。回顾了近年来国内外ZnO薄膜在应用方面的发展,并提出本论文的立题依据和创新点。第二章,主要介绍了用于制备ZnO薄膜的溶胶凝胶技术的发展历史,基本原理以及成膜方法。最后介绍了本论文用到的测试手段及其工作原理。第三章,讨论了溶胶凝胶法制备ZnO薄膜的主要的影响因素,并详细分析了在相同工艺条件下,不同溶剂对制备ZnO薄膜的结构、形貌和光学性质的影响,研究发现乙二醇甲醚是生长高质量的ZnO薄膜的最佳溶剂,并对其生长机理进行了研究。第四章和第五章,采用溶胶-凝胶法,在石英衬底上制备了掺杂不同质量分数Fe、Cu的ZnO薄膜,并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见光谱仪（UV-Vis）、光致发光光谱（PL）等方法测试和分析了不同Fe、Cu掺杂浓度对ZnO薄膜的结构、形貌、光学性能影响。最后,总结整个论文工作得到的重要结论,提出今后继续研究这一工作的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 薄膜的制备
• 1.2.1 分子束外延法（MBE）
• 1.2.2 脉冲激光沉积法（PLD）
• 1.2.3 磁控溅射法
• 1.2.4 化学气相沉积（CVD）
• 1.2.5 溶胶-凝胶法
• 1.3 氧化锌基本性质和结构
• 1.3.1 氧化锌的基本性质
• 1.3.2 氧化锌的晶体结构
• 1.3.3 ZnO的发光机制
• 1.4 氧化锌材料的应用
• 1.5 本课题的立题依据及主要研究内容
• 第二章 溶胶-凝胶法成膜原理与分析
• 2.1 溶胶-凝胶法概述
• 2.1.1 溶胶-凝胶法的发展历程
• 2.1.2 溶胶-凝胶法的技术特点
• 2.2 溶胶-凝胶法的工艺流程
• 2.3 溶胶-凝胶法制备薄膜的方法
• 2.4 溶胶-凝胶法的影响因素
• 2.5 薄膜的表征方法
• 2.5.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.5.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.3 紫外-可见光谱分析（UV-Vis）
• 2.5.4 荧光光谱分析（PL）
• 第三章 C轴择优取向的ZnO薄膜的制备和性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 实验药品和仪器设备
• 3.3 样品的制备
• 3.3.1 采用三种不同溶剂配制溶胶
• 3.3.2 热处理及烧结温度的确定
• 3.3.3 ZnO薄膜的制备
• 3.4 样品的表征与分析
• 3.4.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 3.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.4.3 紫外-可见光谱分析（UV-Vis）
• 3.4.4 荧光光谱分析（PL）
• 3.4.5 ZnO薄膜的成膜的机理研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 Fe掺杂ZnO薄膜的制备与性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 Fe掺杂ZnO薄膜的制备
• 4.3 样品的表征与分析
• 4.3.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 4.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 4.3.3 紫外-可见光谱分析（UV-Vis）
• 4.3.4 荧光光谱分析（PL）
• 4.4 本章小结
• 第五章 Cu掺杂ZnO薄膜的制备与性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 Cu掺杂ZnO薄膜的制备
• 5.3 样品的表征与分析
• 5.3.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 5.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 5.3.3 紫外-可见光谱分析（UV-Vis）
• 5.3.4 荧光光谱分析（PL）
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢