双受主施主掺杂ZnO薄膜的组织结构与性能

摘要

本文利用射频磁控溅射方法成功制备了Ga-N和Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜。系统研究了工艺参数对多元掺杂ZnO薄膜的显微组织结构及性能的影响。采用原子力学显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、X射线能量色散谱(EDS)、X射线光电子能谱（XPS）、荧光分光光度计和霍尔效应测试等系统研究了多元掺杂ZnO薄膜的表面形貌、相结构、光学和电学性能。
　　结果表明，ZnO薄膜表面粗糙度随溅射功率、衬底温度、退火温度的升高而增大，随压强的增加而减小，随气氛N2含量的增加先增加后减小；表面颗粒尺寸随溅射功率、衬底温度、退火温度的升高而增大，随压强和氛N2含量的增加先减小后增大。O在薄膜中主要以Zn-O键方式存在，另一种以游离方式存在；N主要以Ga-N或Zn-N的方式存在；Ag掺杂后，游离的O含量减少，但N以N2、(NH4)+、(NH2)-形式存在的量相对增加。
　　研究表明，室温时，多元掺杂ZnO薄膜由激子复合引起的紫外发光峰在371nm左右，其发光强度显著依赖于薄膜的晶粒大小，随着薄膜晶粒的增大，紫外光发光强度提高；紫光波段中，存在396nm的Ga-N施主受主对复合发光，表明掺杂元素N和Ga进入了ZnO薄膜的晶格位并形成了施主受主对；Ag掺杂后，黄橙光的发光强减弱，表明Ag的引入，抑制了Oi的生成；退火后，紫外光峰位红移2nm，表明退火后薄膜禁带宽度变窄；当退火温度为620℃时，在529nm处观察到AgZn的特征发光，表明合适的退火温度下 Ag原子能够进入 ZnO薄膜的晶格位，形成受主AgZn，并与导带中的电子复合发光。
　　20K下多元掺杂ZnO薄膜的PL谱发光峰位的计算分析结果表明，受主NO的能级在价带顶142meV处，施主GaZn的能级在导带低94meV-124meV处；Ag掺杂后，中性施主激子复合发光强度明显提高，表明 Ag的引入使 ZnO薄膜晶格发生畸变，进而引入了更多施主。
　　Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜中，由于Ag的引入使电子载流子浓度提高，霍尔迁移率下降。溅射功率为80W，压强为2Pa，N2含量为40％条件下获得的Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜经700℃退火后有最大电子载流子浓度n=2.44×1019/cm3，最小的电阻率ρ＝0.213Ωcm。

目录

双受主施主掺杂ZnO薄膜的组织结构与性能

MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES BEHAVIOR OF DUAL ACCEPTOR DONER DOPED ZnO THIN FILMS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 ZnO材料的结构和基本特性

1.3 ZnO薄膜的制备

1.4 ZnO薄膜的掺杂

1.5 选题意义及主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 材料制备及热处理

2.2 组织结构分析

2.3 光性能测试

2.4 电性能测试

第3章 多元掺杂ZnO薄膜的显微组织结构

3.1 引言

3.2 多元掺杂ZnO薄膜的表面形貌

3.3 多元掺杂ZnO薄膜组织结构的化学成分

3.4 多元掺杂ZnO薄膜组织的结构

3.5 多元掺杂ZnO薄膜的键态结构

3.6 本章小结

第4章 多元掺杂ZnO薄膜的光学性能

4.1 引言

4.2 Ga-N掺杂ZnO对薄膜光学性能的影响

4.3 Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜光学性能的影响

4.4 多元掺杂ZnO薄膜的发光机制

4.5 本章小结

第五章 多元掺杂ZnO薄膜的电学性能

5.1 引言

5.2 Ga-N掺杂ZnO薄膜电学性能

5.3 Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜电学性能的影响

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢