磁控溅射ZnO薄膜生长的等离子体发射光谱研究

通过反应磁控溅射过程中的等离子体发射光谱，研究了制备ZnO薄膜的沉积温度、氧气流量比例R=O₂/(O₂+Ar)对Zn和O原子发射光谱的影响，并结合ZnO薄膜的结构和物理性能，探讨了沉积温度在ZnO薄膜生长中的作用.研究结果显示：当R≥0.75%时， Zn的溅射产额随R的增加基本呈线性下降规律.当R介于10%—50%时，氧含量的变化相对平缓，有利于ZnO薄膜生长的稳定性控制.Zn原子发射光谱强度随沉积温度的变化可以分为三个阶段.当沉积温度低于250℃时，发射光谱强 关键词： ZnO 薄膜生长 反应磁控溅射 等离子体发射光谱     

ZnO薄膜的特殊光谱性质及其机理

以同步辐射真空紫外光(195nm)为激发源,在低温下观察到Si基衬底上ZnO薄膜的发光有三种紫外发射,其峰值波长分别为380,369．5,290nm。它们各自具有不同的衰减时间和不同的温度依赖关系,但其激发谱相同。强激发带不在近紫外区,而在真空紫外区(100～200nm),可能源于ZnO的下价带(Zn3d组态)电子的激发。对三种紫外发射的来源作了分析讨论。     

低温外延生长平整ZnO薄膜

在较低温度下实现平整ZnO薄膜的生长有利于ZnO的可控p型掺杂以及获得陡峭异质界面。本文使用分子束外延方法,采用a面蓝宝石为衬底,在450 ℃下生长了一系列ZnO薄膜样品。在富氧生长的条件下,固定氧流量不变,通过调节锌源温度来改变锌束流,以此调控生长速率。样品的生长速率为40~100 nm/h。通过扫描电镜（SEM）表征发现：在高锌束流的生长条件下,样品表面有很多不规则的颗粒;降低锌的供应量后,样品表面逐渐平整。原子力显微镜（AFM）测试结果表明：样品的均方根表面粗糙度（RMS）只有0.238 nm,接近于原子级平整度。这种平整表面的获得得益于较低的生长速率,以及ZnO外延薄膜与a面蓝宝石衬底之间小的晶格失配。     

ZnO:Fe薄膜制备、光学与电学性质研究

用双靶磁控溅射设备制备了ZnO:Fe薄膜。分析了铁靶溅射功率对薄膜的光学及电学性质的影响。X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)图像表明:ZnO:Fe薄膜为六角纤锌矿结构,且具有非常好的沿垂直于衬底的c轴择优取向。当铁靶功率小于250W时,沉积速率随铁靶功率的增加而增加。随着铁靶功率的增加,透射光谱的吸收边有微弱蓝移,透过率在可见光区超过75%。掺铁后薄膜的电阻率只有10-2Ω.cm,远小于纯氧化锌的电阻率。通过实验得到ZnO:Fe薄膜的最佳制备条件。     

衬底温度对ZnO薄膜晶体结构和电学性质的影响研究

由GDARE法在较低温度下,以玻璃为衬底沉积ZnO薄膜,用SEM、AFM、XRD及交流阻抗谱测量等方法研究了衬底温度对薄膜表面形貌、晶体结构以及晶体导电性质的影响.研究结果表明,室温下沉积的薄膜为颗粒致密的非晶相结构,晶界电阻较小.在衬底温度大于50℃时,由GDARE法可沉积出具有一定c轴取向的ZnO薄膜.随衬底温度的升高,薄膜沿c轴择优生长趋势明显增强,内应力减小,晶界效应增强,晶界电阻增大.衬底温度大于100℃后,沿c轴的取向度增强趋势减缓.在衬底温度180～200℃时,可获得高度c轴取向的ZnO超细微粒薄膜,其结晶性能良好,表面光滑,平均粒径30～40nm,晶粒尺寸均匀,晶形规则,沿c轴的内应力很小,取向度达0.965.此时薄膜的晶界效应增强,晶界电阻明显大于室温下沉积的薄膜,而晶粒电阻所占比例很小,总阻抗以晶界电阻为主.同时还讨论了衬底温度对薄膜晶体结构及晶界特性的影响机理.     

CVD法制备ZnO薄膜生长取向和表面形貌

利用具有特定温度梯度的CVD设备,以锌粉和氧气为原料,在Si(100)衬底上制备了ZnO薄膜。研究发现,锌粉中加入某些氯化物后可以改变ZnO薄膜的生长取向。用FESEM观察ZnO薄膜的表面形貌,发现Zn和氯化物的量比为1∶1时,生长的ZnO薄膜表面晶粒呈菱形或三角形({101}面),当二者的量比为10∶1时薄膜表面晶粒呈六棱台形({001}面)。XRD分析结果证实,前者只观察到(101)和(202)衍射峰,而后者出现(002)衍射峰且其强度大于(101)衍射峰。改变衬底或温度后得到的结果相同。因此,作者认为氯化物改变薄膜生长取向的现象与衬底和生长温度无关,添加的氯化物起到降低ZnO{101}面表面能的作用,随着氯化物浓度的增加,薄膜从沿[001]方向生长逐渐转向沿[101]方向生长。     

ZnO薄膜的性质对水热生长ZnO纳米线阵列的影响

用水热法在ZnO薄膜上制备了直径、密度及取向可控的ZnO纳米线阵列。ZnO薄膜是通过原子层沉积(ALD)方法制备并在不同温度下退火处理得到的,退火温度对ZnO薄膜的晶粒尺寸、结晶质量和缺陷性质有很大的影响。而ZnO薄膜的性质对随后生长的ZnO纳米线的直径、密度及取向能起到调节控制的作用。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪和光致发光(PL)测试对ZnO薄膜和ZnO纳米线进行了表征。最后得到的垂直取向的ZnO纳米线阵列适合在发光二极管和太阳能电池等领域使用。     

纳米ZnO薄膜的光致发光性质

利用溶胶－凝胶法制备了纳米ZnO薄膜,室温下测量了样品的光致发光谱(PL)、吸收谱(ABS)、X射线衍射谱(XRD)．X射线衍射(XRD)的结果表明：纳米ZnO薄膜呈多晶状态,具有六角纤锌矿晶体结构和良好的C轴取向．观察到二个荧光发射带,中心波长分别位于395 nm的紫带、524 nm的绿带和450 nm附近的蓝带．证实了纳米ZnO薄膜绿光可见发射带来自氧空位(VO)形成的浅施主能级和锌空位(VZn)形成的浅受主能级之间的复合;450 nm附近的蓝带来自电子从VO的浅施主能级到价带顶或锌填隙(Zni) 到价带顶或导带底到VZn的浅受主能级的复合．     

ZnO薄膜的激光辐照效应研究

研究了KrF准分子激光辐照对ZnO薄膜的本征缺陷.紫外（UV）发光以及表面形貌的影响,并对室温下ZnO的UV发射机理进行了详细探讨.结果表明激光辐照打断了薄膜内Zn—O键,氧空位（锌填隙）增多,导致表面电阻率下降,载流子浓度升高,调节激光辐照能量密度,可在较大范围内调控ZnO薄膜中的施主缺陷浓度;同时在激光热效应作用下,薄膜晶粒熔融长大,表面粗糙度大大降低;室温下ZnO薄膜的UV发光包括自由激子复合发光（FX）及其声子伴线（FX-LO）,缺陷浓度决定了FX与FX-LO的相对强度比,进而影响UV发射峰的强度以及位置.因此,激光辐照可以快速、有效地对ZnO薄膜内的缺陷浓度进行调控,从而控制其室温下的UV发射强度,这对于提高ZnO基光电器件的性能具有重要意义.     

ZnO薄膜的激光辐照效应研究

研究了KrF准分子激光辐照对ZnO薄膜的本征缺陷.紫外（UV）发光以及表面形貌的影响,并对室温下ZnO的UV发射机理进行了详细探讨.结果表明激光辐照打断了薄膜内Zn—O键,氧空位（锌填隙）增多,导致表面电阻率下降,载流子浓度升高,调节激光辐照能量密度,可在较大范围内调控ZnO薄膜中的施主缺陷浓度;同时在激光热效应作用下,薄膜晶粒熔融长大,表面粗糙度大大降低;室温下ZnO薄膜的UV发光包括自由激子复合发光（FX）及其声子伴线（FX-LO）,缺陷浓度决定了FX与FX-LO的相对强度比,进而影响UV发射峰的强度以及位置.因此,激光辐照可以快速、有效地对ZnO薄膜内的缺陷浓度进行调控,从而控制其室温下的UV发射强度,这对于提高ZnO基光电器件的性能具有重要意义. 关键词： ZnO薄膜 激光辐照 紫外发光 缺陷浓度     

ZnO薄膜的光学性质研究

采用直流反应磁控溅射方法在玻璃基底上成功地淀积ｃ轴取向性好的ＺｎＯ薄膜。经过优化计算，获得并分析了不同氧分压下制备的ＺｎＯ薄膜的折射率ｎ和消光系数ｋ的数值；同时得到了吸收光学带隙Ｅｏｐｔ，用能带模型解释了Ｅｏｐｔ的变化规律。     

氢退火对LPCVD生长的ZnO薄膜光学和电学性能的影响

采用低压化学气相沉积(LPCVD)在玻璃衬底上制备了B掺杂ZnO(BZO)薄膜,研究了氢气气氛退火对BZO薄膜光学性能和电学性能的影响。结果表明:在氢气气氛下退火后,BZO薄膜的物相结构和透光率基本无变化,但BZO薄膜的导电能力却明显提高。Hall测试结果表明:在氢气下退火时载流子浓度基本保持不变,但迁移率却明显提高。实验结果可为进一步提高BZO薄膜的光学电学综合性能提供借鉴。     

Cu掺杂ZnO薄膜的光学性质

采用射频反应磁控溅射方法,在Si(100)和石英基片上使用双靶溅射的方法制备了Cu掺杂ZnO薄膜。利用X射线衍射、透射光谱和光致发光光谱分析了薄膜的晶体结构及光学性质,并与密度泛函理论计算的结果进行了对比。研究结果显示:Cu掺杂ZnO薄膜均具有高的c轴择优取向,无Cu及其氧化物相关相析出,掺杂对晶格参数的影响较小,与理论计算结果一致。Cu掺杂显著改变了ZnO薄膜在近紫外及可见光波段的吸收特性,其光学带隙随着Cu掺杂量的增加有所减小,带隙宽度的变化趋势与理论结果有着很好的一致性。Cu掺杂显著降低了ZnO薄膜的发光效率,具有明显的发光猝灭作用,但并不影响光致发光的发光峰位。说明Cu掺杂导致的吸收特性的改变可能与杂质能级有关,这与能带结构计算发现的Cu-3d电子态位于价带顶附近的禁带中是一致的。     

用电子束热蒸发技术制备ZnO薄膜

本文报道了用电子束热蒸发技术制备ZnO薄膜,薄膜具有（002）取向,通过电子扫描显微镜确认晶粒大小在150nm左右,现有的薄膜在525nm处有强的光致发光。     

退火对ZnO薄膜质量的影响

用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在蓝宝石（0001）衬底上制备了c轴取向的高质量的ZnO薄膜,通过在生长温度下氧气和氮气中退火处理的比较,研究了退火对ZnO薄膜结构和发光特性的影响。通过X射线衍射测量得知,经过氮气和氧气退火都可以使其002峰增强,且在氧退火中表现得尤为明显。光致发光测量发现氮气中退火的ZnO薄膜的紫外发光峰明显增强,而深能级发光峰明显减弱;而氧气中退火的ZnO薄膜的紫外发光峰略有减弱,而深能级峰显著增强。     

退火对ZnO薄膜光学特性的影响

用射频磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备出ZnO薄膜,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和光致发光(PL)谱等研究了退火温度对ZnO薄膜结构和光学性质的影响。测量结果显示,所制备的ZnO薄膜为六角纤锌矿结构,具有沿c轴的择优取向;随着退火温度的升高,(002)XRD峰强度和平均晶粒尺寸增大,(002)XRD峰半高宽(FWHM)减小,光致发光紫外峰强度增强。结果证明,用射频磁控溅射法通过适当控制退火温度可得到高质量ZnO薄膜。     

Co掺杂ZnO薄膜的结构和磁学性能

研究了用单束脉冲激光沉积法制备的Co掺杂ZnO薄膜的结构和磁学性能。XRD表征结果表明制备的薄膜是具有沿c轴择优取向的纤锌矿点阵结构。然而,进一步的高分辨电子显微镜结果显示整个样品上的晶体取向并不完全相同。很难说明形成了单晶。结果分析表明Co占据了部分Zn的格点,并对电子结构产生了影响。室温下观察到了磁滞回线,显示掺杂Co可以实现ZnO的磁性翻转,但磁性比较小。该薄膜与我们以前用双束脉冲激光沉积法制备的Co掺杂ZnO薄膜具有相似的性能,提示我们其内部的机制可能相似。     

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.