ZnO薄膜的制备和结构特性及应变

在SiO₂/Si衬底上面,利用射频磁控溅射方法,在不同的工艺条件下生长ZnO薄膜,然后进行热处理(600～1000℃退火).研究了氩氧比和退火温度对薄膜结晶性能的影响.薄膜的表面结构和晶体特性通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)来进行表征.结果表明:所制备的薄膜为多晶纤锌矿结构,具有垂直于衬底的c轴(002)方向的择优取向性.热处理可使ZnO(002)衍射峰相对强度增强,半峰全宽(FWHM)变小,即退火使c轴生长的薄膜取向性增强.未经退火的ZnO薄膜存在张应力,经过热处理后应力发生改变,最后变成压应力,并且随着退火温度的升高,压应力逐渐增大.     

蓝宝石基片的处理方法对ZnO薄膜生长行为的影响

采用反应射频磁控溅射方法,在经过不同方法处理的蓝宝石基片上,在同一条件下沉积了ZnO薄膜.利用原子力显微镜、X射线衍射、反射式高能电子衍射等分析技术,对基片和薄膜的结构、表面形貌进行了系统表征.研究结果显示,不同退火条件下的蓝宝石基片表面结构之间没有本质的差异,均为α-Al₂O₃ (001)晶面,但基片表面形貌的变化较大.在不同方法处理的蓝宝石基片上生长的ZnO薄膜均具有高c轴取向的织构特征,但薄膜的表面形貌差异较大.基片经真空退火处 关键词： ZnO薄膜 反应磁控溅射 基片处理 形貌分析     

磁控溅射制备ZnO薄膜及其声表面波特性

通过射频磁控溅射技术在GaAs，Au/GaAs，Si和玻璃基片上成功制备了ZnO多晶薄膜，利用X射线衍射对ZnO薄膜的取向、结晶性进行了表征，结果表明ZnO薄膜呈完全c轴取向，Au缓冲层可以有效地改善ZnO薄膜的晶体质量，X射线摇摆曲线结果表明ZnO(002)衍射峰的半高宽仅为2.41°，同时发现Au缓冲层的结晶质量对ZnO薄膜的c轴取向度有很大影响，通过扫描电子显微镜对ZnO/GaAs和ZnO/Au/GaAs薄膜的表面形貌进行了观测，利用网络分析仪对IDT/ZnO/GaAs薄膜的声表面波特性进行了测量. 关键词： ZnO薄膜 X射线衍射 声表面波     

反应溅射氧化锌薄膜的结构特点及性质

以金属Zn(纯度为99.99%)作为靶材,采用离子束反应溅射法在玻璃衬底上溅射沉积了一系列ZnO薄膜样品。通过对薄膜样品X射线衍射(XRD)谱的分析,发现尽管溅射条件不同,但是ZnO薄膜只沿(0002)晶面取向生长。衬底温度和溅射气体的氧分压对薄膜沿c轴取向生长有影响,其中衬底温度的影响较明显。溅射过程中发现衬底温度为360℃最适合(0002)晶面的生长,在此温度下溅射获得了完全沿c轴取向生长且衍射峰最强的ZnO薄膜。室温下测量了ZnO薄膜的发射光谱,发现薄膜在紫外区(364nm附近)、蓝绿区(470nm附近)有较强的发光峰,在紫光区(398nm附近)、蓝光区(452nm附近)和红外区(722nm附近)有较弱的发光峰。ZnO薄膜在空气中退火,对薄膜的结构、发光和电学性质都有一定影响。合适的退火温度可以促进薄膜沿c轴的取向生长;退火后ZnO多晶薄膜的晶粒比未退火的略大;退火使部分发光峰的位置发生偏移并使薄膜的发光强度增强;退火使薄膜的电阻率显著增大,薄膜的电阻率随氧分压的增大而增大。     

工作气压对磁控溅射ZnO薄膜结晶特性及生长行为的影响

采用射频反应磁控溅射方法，在Si(001)基片上制备了具有高c轴择优取向的ZnO薄膜.利用原子力显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜和透射光谱分析技术，对不同工作气压下合成的ZnO薄膜的表面形貌、微观结构和光学性能进行表征，研究了工作气压对ZnO薄膜的结晶性能以及生长行为的影响.研究结果显示：对于Ar/O₂流量比例接近1∶1的固定比值下，ZnO薄膜的生长行为主要取决于成膜空间中氧的密度，临界工作气压介于0.5—1.0 Pa之间.当工作气压小于临界值时，ZnO薄膜的成核密度较高，且随工作气压的变化明显，ZnO的生长行为受控于氧的密度，属于氧支配的薄膜生长；当工作气压大于临界值以后，ZnO薄膜的成核密度基本保持不变，Zn原子的数量决定薄膜的生长速率；在0.1—5.0 Pa的工作气压范围内，均可获得高度c轴取向的ZnO薄膜，但工作气压的变化改变着ZnO晶粒之间的界面特征和取向关系.随着工作气压的增加，ZnO晶粒之间的界面失配缺陷减少，但平面织构特征逐渐消失，三叉晶界的空洞逐渐扩大，薄膜的密度下降，折射率减小. 关键词： ZnO薄膜 磁控溅射 表面形貌 微观结构 光学性能     

3 T强磁场对真空蒸发Zn薄膜晶体结构的影响

在3 T强磁场下采用真空蒸发沉积在玻璃基片上制备了三种厚度分别为1,2,3 μm的Zn薄膜,并和无磁场下制备的薄膜进行了对比研究.对施加磁场和无磁场环境下制备的试样分别进行了X射线衍射研究.研究表明,3 T磁场下制备的Zn薄膜都是沿（002）面取向,而0 T磁场下制备的薄膜随着厚度的增加c轴取向逐渐减弱. 3 T磁场的取向作用可以维持Zn晶粒沿着c轴取向.利用扫描电子显微镜对薄膜表面形貌的研究发现,施加磁场制备的Zn薄膜表面晶粒要比无磁场条件下制备的薄膜有明显的细化.对磁场下Zn原子团形成进行了热力学分析,推导了磁场作用下的临界形核半径r^*_M和临界形核自由能ΔG^*_M.初步分析表明,r^*_M和ΔG^*_M减小从而增加临界形核浓度是Zn晶粒细化的原因. 关键词： 强磁场 晶体结构 真空蒸发沉积 薄膜     

γ-LiAlO2上非极性ZnO薄膜制备及其光谱性质研究

利用激光脉冲沉积(PLD)技术在(302)γ-LiAlO₂衬底上成功生长了非极性的a面(1120) ZnO薄膜. 衬底温度为350℃时，薄膜是混合取向(a向和c向)，以c面ZnO为主，且晶粒尺寸分布很宽；提高温度达500℃，薄膜变为单一的(1120)取向，摇摆曲线半高宽0.65°，晶粒尺寸分布趋窄，利用偏振透射谱可以明显看出其面内的各向异性. 衬底温度650℃下制备的样品晶粒继续长大，虽然摇摆曲线半高宽变大，但光致发光谱(PL)带边发射峰半高宽仅为105meV，比在350℃，500℃下制备的样品小1/5. 关键词： 非极性ZnO 2')" href="#">γ-LiAlO₂ PLD 透射谱     

基于SSCVD方法的a-b轴取向ZnO薄膜制备

以Zn₄(OH)₂(O₂CCH₃)₆·2H₂O为单一固相有机源,采用单源化学气相沉积法(Single sour cechem icalvapor deposition,SSCVD)在Si(100)衬底上制备ZnO薄膜,用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)分析ZnO薄膜样品的晶体结构和微观形貌,并用X射线光电子能谱(XPS)对薄膜的锌氧化学计量比进行了分析。研究结果表明:在非平衡条件下所得到的ZnO薄膜沿a-b轴取向生长,基片温度对ZnO薄膜生长过程影响较大,随着基片温度的升高,薄膜呈现c轴生长趋势;晶粒成柱状、尺寸均匀、膜层结构致密;薄膜样品中n_Zn:n_O=0.985。     

脉冲激光沉积(PLD)法生长高质量ZnO薄膜及其发光性能

采用脉冲激光沉积(PLD)法在单晶Si(100)衬底上生长ZnO薄膜,以X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)等手段分析了所得ZnO薄膜的晶体结构和微观形貌。优化工艺(700℃,20Pa)下生长的ZnO薄膜呈c轴高度择优取向,柱状晶垂直衬底表面生长,结构致密均匀。室温光致发光(PL)谱分析结果表明,随着薄膜生长时O₂分压的增大,近带边紫外发光峰与深能级发光峰之比显著增强,表明薄膜的结晶性能和化学计量比都有了很大的改善。O₂分压为20Pa时所生长的ZnO薄膜具有较理想的化学计量比和较高的光学质量。     

Ti缓冲层及退火处理对Si(111)基片上生长的ZnO薄膜结构和发光特性的影响

采用反应磁控溅射法在Si（111）基片上制备了带有Ti缓冲层的高c轴取向ZnO薄膜.通过X射线衍射分析和光致荧光光谱测量,研究了Ti缓冲层厚度和退火处理对ZnO薄膜结晶质量和光致荧光特性的影响.研究结果表明,Ti缓冲层的引入可以有效改善Si基片上ZnO薄膜的发光性能,但缓冲层存在一个最佳的厚度.薄膜应力是影响ZnO薄膜紫外荧光发射性能的重要因素,较小的残余应力对ZnO薄膜的紫外荧光发射是有利的,残余应力的存在可以改变ZnO薄膜紫外荧光发射能量.随着退火温度的增加,薄膜中的张应力增大,导致带隙宽度减小以及激子复合跃迁峰逐渐向低能方向移动. 关键词： ZnO薄膜 缓冲层 退火处理 应力分析     

Microstructure evolution of Al-doped zinc oxide films prepared by in-line reactive mid-frequency magnetron sputtering

Aluminium-doped zinc oxide (ZnO:Al or AZO) thin films were deposited on glass substrates by reactive mid-frequency (MF) magnetron sputtering from Zn/Al metallic targets. Strong (002) preferred orientation was detected by X-ray diffraction (XRD). It was observed by plan-view transmission electron microscopy (TEM) that an AZO film deposited at low substrate temperature was composed of irregular large grains; but the film prepared at high temperature was composed of moderate sized grains with a regular shape. A secondary phase of ZnO₂ was also observed for the film deposited at low substrate temperature. The cross-sectional TEM study of the AZO film showed that prior to the well-aligned columnar growth an initial interfacial zone with nano crystallites were formed. The nano crystallites formed initially with a large tilt angle normal to the substrate surface and during the growth of the transition zone, the tilt angle decreased until it vanished. The evolution of the film structure is discussed in terms of evolutionary selection model and the dynamic deposition process. PACS 73.61.Ga; 68.37.Lp; 68.55.Jk     

用锌金属有机源和二氧化碳等离子体增强化学气相沉积的方法制备高质量氧化锌薄膜

报道了用金属锌有机源和二氧化碳混合气源等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法成功地制备高质量择优取向(0002)的ZnO薄膜。通过X-ray衍射谱进行了结构分析得到六方结构,择优取向,晶粒尺寸大约在220nn.并通过原子力显微镜分析更进一步验证了晶粒的尺寸。通过透射谱分析观察到了典型的激子吸收线。这种方法的特点是可以在低温条件下在任何衬底上生长大面积均匀性好、结晶度高的ZnO薄膜。     

籽晶层对喷雾热分解法生长ZnO薄膜结晶质量和光电性能的影响

通过脉冲激光沉积(PLD)方法在Si(100)衬底上沉积一层高质量的ZnO籽晶层,在籽晶层上进一步采用超声喷雾热分解(USP)法生长ZnO薄膜,研究了籽晶层对ZnO薄膜结晶质量和ZnO/Si异质结光电特性的影响。研究结果表明,在籽晶层的诱导作用下,USP法生长ZnO薄膜由多取向结构变为(002)单一取向,结晶性能得到了显著改善;籽晶层上生长的薄膜呈现出垂直于衬底生长的柱状晶结构,微观结构更加致密。通过研究紫外光照前后ZnO/Si异质结的整流特性,发现引入籽晶层后,反向偏压下异质结的光电响应显著增加,并且在开路状态下出现明显的光伏效应。     

溶胶-凝胶法制备ZnO纳米薄膜的工艺和应用

ZnO是一种重要的功能材料和新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料.采用溶胶-凝胶(Sol-gel)工艺在Si(100)、Si(111)和c面蓝宝石衬底上成功制备出高质量的ZnO纳米薄膜,并用XRD、SEM、AFM等方法研究了薄膜的特性.首次以制备的ZnO纳米薄膜为缓冲层,在n型Si(100)衬底上采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺外延生长了SiC薄膜,得到了低载流子浓度、高电子迁移率和高空穴迁移率的两种SiC薄膜样品,分析了该薄膜的性能.     

A simple growth route towards ZnO thin films and nanorods

Highly orientated ZnO thin films and the self-organized ZnO nanorods can be easily prepared by a simple chemical vapor deposition method using zinc acetate as a source material at the growth temperature of 180 and 320 °C, respectively. The ZnO thin films deposited on Si (100) substrate have good crystallite quality with the thickness of 490 nm after annealing in oxygen at 800 °C. The ZnO nanorods grown along the [0001] direction have average diameter of 40 nm with length up to 700 nm. The growth mechanism for ZnO nanorods can be explained by a vapor-solid (VS) mechanism. Photoluminescence (PL) properties of ZnO thin films and self-organized nanorods were investigated. The luminescence mechanism for green band emission was attributed to oxygen vacancies and the surface states related to oxygen vacancy played a significant role in PL spectra of ZnO nanorods.     

ZnO外延膜与蓝宝石衬底的取向偏差及其弯曲变形

采用常压MOCVD方法在Al2O3(00．1)衬底上生长出了高质量ZnO单晶薄膜。由ZnO(00．2)面和Al2O3(00．6)面及ZnO(10．2)面和Al2O3(11．6)面X射线双晶(w／2θ衍射曲线的相对峰位,得到ZnO外延膜的晶格常数及外延层和衬底间的取向差异角。结果表明外延层和衬底在应力作用下产生了取向差和晶格畸变,并且取向倾斜方向与衬底的切割倾角方向一致;高温直接生长的样品的取向差比有低温缓冲层样品更大,晶格畸变也更严重。高温直接生长的样品弯曲半径小而应力更大;实验测量的应力值和理论计算的热应力值之间存在差异,原因主要是晶格失配应力的存在。有缓冲层的样品由于能更好地弛豫晶格失配引入的应力,热应力所占整个残余应力的比例相对更大。     

Modelling of an obliquely deposited thin film in three dimensions by kinetic Monte Carlo method

A simulation of the growth of an obliquely deposited thin film in a three-dimensional lattice was made using kinetic Monte Carlo method. Cu growth in three dimensions on a (001) substrate with high deposition rates has been simulated in this model. We mainly investigated the variation of three-dimensional morphology and microstructure offilms with incidence angle of sputtered flux. The relation of roughness and densities of films with incidence angle was also investigated. The simulation results show that the surface roughness increases and the relative density of thin film decreases with increasing incidence angle, respectively; the columnar structures were separated by void regions for large incidence angle and high deposition rate. The simulation results are in good agreement with experimental results.However, the orientation angle of columns is not completely consistent with the classical tangent rule.     

常压化学气相沉积法在Ag/Si(111)模板上生长ZnO薄膜及其性能研究

在Si衬底上利用磁控溅射的方法沉积1.5 nm厚度的Ag膜用以阻挡Si衬底被氧化。采用常压金属有机化学气相沉积法(MOVCD),在Ag/Si(111)衬底上成功地生长出马赛克结构的ZnO薄膜。用光学显微镜观察表面形貌,结果显示有带晶向特征的微裂纹,裂纹密度为100 cm-1。依据X射线晶体衍射的结果,薄膜结晶质量良好,呈C轴高度择优取向。用双晶X射线衍射得到(002)面的ω扫描半峰宽为1.37°。温度10 K时光致发光谱(PL)观察到自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线。结果表明,金属有机化学气相沉积法方法在Si(111)衬底上制备ZnO薄膜时,Ag是一种有效的缓冲层。     

Effects of deposition temperature and thickness on the structural properties of thermal evaporated bismuth thin films

Bismuth (Bi) thin films of different thicknesses were deposited onto Si(1 0 0) substrate at various substrate temperatures by thermal evaporation technique. Influences of thickness and deposition temperature on the film morphologies, microstructure, and topographies were investigated. A columnar growth of hexahedron-like grains with bimodal particle size distribution was observed at high deposition temperature. The columnar growth and the presence of large grains induce the Bi films to have large surface roughness as evidenced by atomic force microscopy (AFM). The dependence of the crystalline orientation on the substrate temperature was analyzed by X-ray diffraction (XRD), which shows that the Bi films have completely randomly oriented polycrystalline structure with a rhombohedral phase at high deposition temperature (200 °C) and were strongly textured with preferred orientation at low deposition temperatures (30 and 100 °C).