掺杂氧化锌薄膜制备及光学性质研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种多功能宽带隙氧化物半导体材料，激子结合能为60meV，具有六方纤锌矿结构。它具有良好的透明导电性，非常适合用于制作短波长发光器件。还具有压电、光电、气敏、压敏特性，且易于与多种半导体材料实现集成化，因此在许多方面具有实用价值。本论文主要工作是ZnO薄膜和Mn、Co掺杂ZnO薄膜制备和光学性质研究。 采用溶胶-凝胶法制备高纯的靶材，利用PLD法生长薄膜，成功地在Si和SiO<,2>衬底上生长了高质量的ZnO薄膜和Mn、Co掺杂的ZnO薄膜，系统的研究了衬底温度对薄膜生长的影响。采用XRD、AFM以及能谱分析对薄膜结构、表面形貌及原子成分进行分析。 XRD测试表明，大部分薄膜都具有高度的c轴择优生长取向性，只有衬底温度过高或Mn、Co掺杂量过大，薄膜结构才发生改变。AFM抽样测试表明，合适的衬底温度和适量的金属原子掺杂可以改善薄膜结晶程度，使薄膜表面比较平整，颗粒比较均匀，薄膜致密性好。能谱分析抽样测试表明，利用Pm技术生长的薄膜基本实现了同组分沉积。 研究了ZnO薄膜和Mn、Co掺杂ZnO薄膜的光学性质，．发现薄膜在波长为380nm、427nm、510nm出现了发光峰，而且427nm处的蓝光峰为主峰。其中衬底温度、掺杂元素和掺杂浓度都对薄膜的发光峰有影响。 此外，还研究了Mn、Co掺杂ZnO薄膜的透光性，发现薄膜的透过率最高可达到90﹪，但随着掺杂量的增大，薄膜的透过率降低。分析认为跟薄膜缺陷浓度有关。而且Mn、Co掺入后，ZnO薄膜的禁带宽度发生改变。

目录

文摘

英文文摘

本论文的主要创新点及研究成果

第一章绪论

1.1引言

1.2 ZnO的晶体结构

1.3半导体的能带理论

1.4 ZnO的缺陷

1.5 ZnO的性质与应用

1.5.1 ZnO的光电特性

1.5.2压电特性

1.5.3气敏和湿敏特性

1.5.4 ZnO基稀磁特性

1.6掺杂对ZnO薄膜性能的影响

1.7本论文研究内容

第二章脉冲激光沉积法制备ZnO及Mn、Co掺杂ZnO薄膜

2.1引言

2.2薄膜制备方法

2.2.1磁控溅射

2.2.2脉冲激光沉积(PLD)

2.2.3脉冲激光沉积系统组成

2.2.4分子束外延(MBE)

2.2.5溶胶-凝胶法

2.3薄膜制备

2.3.1溶胶-凝胶法制耙材

2.3.2 PLD生长薄膜

2.3.3制备ZnO薄膜实验参数

2.4薄膜性能表征

2.4.1 X射线衍射

2.4.2能谱分析

2.4.3原子力显微镜(AFM)

2.4.4紫外-可见-近红外光谱仪

2.4.5分子荧光光谱

第三章影响ZnO、Zn1-xMnxO和Zn1-xCoxO薄膜结构的因素及其结构表征

3.1衬底温度对ZnO薄膜结构的影响

3.2 Mn掺杂对ZnO薄膜结构的影响及其X射线衍射分析

3.3 Co掺杂对ZnO薄膜结构的影响及其X射线衍射分析

3.4薄膜组分的能谱分析

3.4.1 ZnO能谱分析

3.4.2 Zn0.8Mn0.2O薄膜的能谱分析

3.4.3 Zn0.8Co0.2O薄膜的能谱分析

3.5薄膜的表面形貌分析

3.5.1衬底温度为350℃的ZnO薄膜的AFM分析

3.5.2 Zn0.8Mn0.2O薄膜的AFM分析

3.5.3 Zn0.9Co0.1O薄膜的AFM分析

本章小结

第四章ZnO、Zn1-xMnxO和Zn1-xCoxO薄膜的光致发光

4.1薄膜的光致发光原理

4.2 ZnO薄膜的PL谱

4.3 Zn1-x MnxO薄膜的PL谱

4.4 Zn1-xCoxO薄膜的PL谱

本章小结

第五章Mn、Co掺杂ZnO薄膜的透过率

5.1材料的透光性

5.2 Zn1-x MnxO薄膜的透过率

5.3 Zn1-x CoxO薄膜的透过率

本章小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢

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