hcp缓冲层和Fe掺杂对ZnO薄膜微结构和光学性能的影响

摘要

ZnO是一种新型的II-VI族直接带隙宽禁带半导体氧化物材料,室温下带隙宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV,这使得ZnO在室温或更高温度下存在激子受激发射并具有很高的稳定性。ZnO作为新一代的半导体材料,由于其无毒、原料廉价易得,且具有优异的电学、光学、压电等性能,在发光二极管、液晶显示器、太阳能电池、光探测器等领域中有着广泛的应用。这些优势使得ZnO材料成为当今半导体材料研究领域的热点。
　　然而,我们注意到本征的ZnO薄膜通常存在着各种点缺陷,例如锌空位(VZn)、氧空位(Vo)、锌填隙(Zni)和氧填隙(Oi)等,这些本征缺陷很大程度上会影响ZnO薄膜的微观结构、表面形貌和发光特性,而通过引入杂质可改变ZnO薄膜的缺陷浓度,从而使得ZnO薄膜的结晶质量和发光特性提高。此外,对于未掺杂ZnO的理论研究,包括生长条件、缺陷类型以及发光机理等问题还有待更深入的探索。基于上述背景,本论文围绕着ZnO薄膜的生长、结构形貌、光学特性及掺杂等方面,研究了hcp缓冲层和Fe掺杂对于ZnO薄膜微观结构和光学性能的影响,从而为ZnO薄膜的应用提供一些实验数据和理论基础。主要研究内容和结果如下:
　　1、利用射频磁控溅射法在Si衬底先制备了hcp缓冲层,然后在缓冲层上生长了ZnO薄膜。并通过X射线衍射(XRD)分析和光致荧光光谱测量,研究了hcp缓冲层对ZnO薄膜微观结构和发光性能的影响。研究结果表明:hcp缓冲层的引入可以改善生长在Si衬底上ZnO薄膜的发光性能。
　　2、采用射频反应磁控溅射法在Si衬底和玻璃衬底上制备了带有Ti缓冲层的ZnO薄膜,利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见分光计和荧光分光分度计等表征技术,研究了Ti缓冲层的溅射时间对ZnO薄膜微观结构、结晶性能和光学特性的影响。XRD测试结果显示生长在Ti缓冲层上的ZnO薄膜具有较好的结晶质量,随着Ti缓冲层厚度的增加,(002)衍射峰的半高宽逐渐减小,薄膜的结晶质量得到了改善。但缓冲层存在一个最佳的溅射时间。薄膜在可见光范围内的平均光学透过率超过80％,随着缓冲层溅射时间的增加薄膜的紫外吸收边先向长波方向移动后向短波方向移动。PL谱测量显示所有薄膜出现了紫外发光峰(390nm)、两个蓝光峰(435nm和487nm左右)和两个绿光峰(525nm和560nm)。且缓冲层的生长时间为10min时,薄膜的蓝光发光性能最好。通过分析可知,紫外发光来自于ZnO带边自由激子的复合发光;蓝光双峰是由于电子从Zni能缺陷级到价带顶的跃迁和电子从Zni缺陷能级到VZn缺陷能级的跃迁过程中产生的;525nm的绿光峰发射是由于电子从氧空位深施主能级到价带顶的跃迁产生的,而560nm的绿光峰可能与Oi和VO有关。
　　3、采用射反应频磁控溅射法制备了Fe掺杂ZnO薄膜(ZnO:Fe),并利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见分光计和荧光分光分度计等表征技术,详细研究了生长温度对ZnO:Fe薄膜微观结构、表面形貌和光学特性等的影响。XRD表征显示室温下制备的薄膜沿着(100)方向生长,而随着沉积温度的增加薄膜沿着(002)方向生长。且随着生长温度的逐渐增加,(002)衍射峰的强度逐渐增强,说明适当的生长温度可以提高ZnO:Fe薄膜的c轴择优取向和结晶质量。此外,薄膜的带隙随着衬底温度的增加先增大后减小,带隙的增加与薄膜质量的改善有关,而带隙的减小与薄膜中Fe的掺杂量有关。最后我们研究了生长温度对ZnO:Fe薄膜发光性能的影响,在室温下测得的光致发光谱显示:所有ZnO:Fe薄膜有三个主要的发光峰:紫光峰(410nm)、蓝光峰(456nm)、绿光峰(515nm),并对这三个发光峰的起源进行了详细的讨论。

目录

封面

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪 论

§ 1.1 概述

§ 1.2 ZnO的基本性质

参考文献

第二章 ZnO薄膜的制备和测试表征方法

§2.1 ZnO薄膜的制备

§ 2.2 本论文中ZnO薄膜微观结构的表征和光学性能测试

§2.3 本章小结

参考文献

第三章 hcp缓冲层对ZnO薄膜微观结构和光学特性的影响

§3.1制备工艺和基本参数

§3.2 hcp缓冲层对ZnO薄膜微结构和光学特性的影响

§3.3 本章小结

参考文献

第四章 Ti缓冲层对ZnO薄膜微观结构和光学特性的影响

§4.1 Ti缓冲层和ZnO薄膜的制备与表征方法

§4.2 Ti缓冲层对ZnO薄膜微观结构和光学特性的影响

§ 4.3 本章小结

参考文献

第五章 Fe掺杂对ZnO薄膜微结构和光学特性影响的研究

§ 5.1 ZnO:Fe薄膜的制备和表征方法

§ 5.2 ZnO:Fe薄膜微观结构的表征及光学特性的研究

§ 5.3 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

§ 6.1 总 结

§ 6.2 展 望

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的论文