Cu掺杂ZnO薄膜的制备及光学性能研究

论文摘要

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽带半导体,室温禁带宽度约为3.37eV,激子束缚能高达60meV。在大气条件下,ZnO具有六方纤锌矿结构。作为新一代的宽带半导体材料,ZnO具有优异的光学、电学及压电特性,在发光二极管、光探测器、电致荧光器件、透明导电薄膜、表面声波器等诸多领域有着广泛的应用。本文采用射频磁控溅射方法在玻璃和硅（100）衬底上制备了不同氧分压的Cu掺杂ZnO（ZnO:Cu）薄膜。利用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）和光致荧光发光（PL）等表征技术,研究了衬底和氧分压对ZnO:Cu薄膜的结晶性能和光学特性的影响。从而为ZnO薄膜的应用提供一些实验数据和理论基础。主要研究结果如下:1、在研究Si衬底,氧分压对ZnO:Cu薄膜结构特性的影响中发现:随着氧分压的增加,薄膜的（002）衍射峰先增强后减弱,表明氧分压可以影响ZnO:Cu薄膜的结晶取向。并且薄膜的压应力随着氧分压的增加,先增加后减小。2、通过紫外分光光度计对样品室温光致发光特性的研究,我们观察到一个紫光峰、两个蓝光峰和一个绿光峰。分析表明,峰位在401nm的紫光峰与表面带隙有关;峰位在449nm和484nm的蓝光发光峰可能与电子从Zni到价带顶之间的跃迁和电子从Zni到VZn之间的跃迁有关;峰位在530nm附近的绿光峰可能与氧空位有关。3、对比研究了在玻璃沉底和硅衬底上氧分压对ZnO:Cu薄膜的结晶性能和光学特性的影响。结果显示薄膜沉积在Si衬底上比玻璃衬底上有更好c轴择优取向,两种衬底上沉积的薄膜有相同的氧分压c轴结晶规律,且在氧氩比为10:10时,薄膜c轴取向同时达到最好。通过对光致发光的研究表明,在低氧环境时玻璃衬底较容易制得好的发光薄膜,可在富氧环境时Si衬底上制得的薄膜发光性能较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 ZnO 材料的概况
• §1.1 ZnO 的晶体结构和性质
• 1.1.1 ZnO 的晶体结构
• 1.1.2 ZnO 的光学性质
• 1.1.3 ZnO 的电学性质
• 1.1.4 ZnO 的磁学性质
• §1.2 ZnO 的应用
• §1.3 研究进展
• 1.3.1 优质ZnO 薄膜的外延生长:
• 1.3.2 p 型ZnO 薄膜的研究:
• 1.3.3 掺杂对ZnO 薄膜的光学、电学、磁学等特性进行改性:
• §1.4 本论文研究工作简介
• 参考文献
• 第二章 ZnO 薄膜的制备及表征
• §2.1 常用的制备方法
• 2.1.1 溅射法
• 2.1.2 分子束外延（MBE）
• 2.1.3 脉冲激光沉积（PLD）
• 2.1.4 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 2.1.5 溶胶-凝胶（Sol-Gel）
• §2.2 常用的表征方法
• 2.2.1 X 射线衍射仪（XRD）
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.3 紫外分光光度计
• 2.2.4 荧光分光光度计
• §2.3 实验室ZnO:Cu 薄膜的制备与表征
• 参考文献
• 第三章 氧分压对ZnO:Cu 薄膜的结构及光学特性的影响
• §3.1 氧分压对ZnO:Cu 薄膜结构的影响
• §3.2 氧分压对ZnO:Cu 薄膜光学特性的影响
• §3.3 本章 小结
• 参考文献
• 第四章 衬底和氧分压对ZnO:Cu 薄膜结构及光学特性的影响
• §4.1 衬底和氧分压对ZnO:Cu 薄膜结构的影响
• §4.2 衬底和氧分压对ZnO:Cu 薄膜光学特性的影响
• §4.3 本章 小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• §5.1 总结
• §5.2 展望
• 致谢
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文