溶胶-凝胶法制备AI掺杂ZnO纳米颗粒膜及其性能研究

摘要

ZnO是一种新型的宽禁带半导体材料,室温时禁带宽度为3.4eV,具有六角纤锌矿结构。ZnO薄膜由于具有优异的压电、光电、气敏、压敏等特性,近年来受到广泛关注。Al3+掺杂的ZnO(简称AZO)薄膜因其具有优良的光电性能己成为研究热点之一。此外,ZnO是对人体完全无毒的绿色材料,其在生物方面的应用也极具潜力。随着纳米技术和薄膜技术的飞速发展,研究发现独特的极性晶体结构使ZnO具有形态各异的纳米结构,并随之产生许多奇特的光学特性和量子效应,极大的提高了器件的性能。因此,ZnO低维材料的应用研究已经成为当前的热点,具有重要的实际意义。
　　 本文采用溶胶-凝胶法,选择二水合乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)作为前驱体,无水乙醇为溶剂,乙醇胺(MEA)作为络合剂(ZnAc∶MEA=1∶1.5),硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)作为Al掺杂来源,配制出锌离子浓度为0.8mol/L并具有不同Al掺杂浓度(0～10％)的透明均质溶胶。分别在玻璃和硅片衬底上成功制备出ZnO薄膜,平均晶粒尺寸在纳米级别。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电阻率测量、紫外-可见光透射光谱的表征和分析,研究了掺杂对ZnO薄膜结晶状态、电阻率、能带结构的影响。
　　 结果表明,使用溶胶-凝胶法在非晶玻璃和Si(100)衬底上制备了c轴择优取向生长的AZO薄膜,薄膜为众多纳米颗粒构成的纳米颗粒薄膜。不同浓度的Al掺杂(1-10％)均能提高其导电性能,Al掺杂浓度为1-2％时ZnO薄膜Al掺杂水平相对较高,电阻率显著降低,在掺杂浓度为2％时具有最小值0.671Ω·cm。SEM显示,Al含量的增加使薄膜的平均晶粒尺寸明显减小,掺杂浓度较高(7-10％)时,Al掺杂会影响ZnO薄膜的结晶状态。分析认为,未形成掺杂的A1原子以非晶Al2O3的形式在ZnO晶界上形成了对晶界运动的钉扎,导致晶粒尺寸的减小;杂质含量增加与晶粒细化的竞争使Al在ZnO薄膜中的掺杂水平存在极限。Al掺杂会对ZnO的能带结构产生影响,使其在紫外光区的透射率有所增加。