溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜及其微结构特性研究

采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备氧化锌(ZnO)薄膜,研究镀膜层数和退火温度对ZnO薄膜晶体结构、光谱性质及表面形貌的影响.X射线衍射谱测试表明,退火温度为600℃、镀膜层数为10层时制备样品的晶粒尺寸最大,结晶度最好.紫外-可见透过谱发现,样品退火后其透过率曲线变得陡直,光学带隙随退火温度升高而逐渐减小.光致发光谱测试显示,ZnO薄膜的发光谱包含388 nm和394 nm附近的两个主要发光峰,分别对应于本征发射和缺陷发射,其强度随退火温度升高呈现相反的变化.原子力显微照片则显示了随退火温度的升高制备样品表面晶粒的分布趋于均匀而致密.     

退火对Si(111)衬底上ZnO薄膜的结构和发光特性的影响

采用磁控溅射法在硅(111)衬底上制备了C轴高度取向的ZnO薄膜,并研究了退火温度和氧气气氛对ZnO薄膜晶体质量、晶粒度大小和光致发光谱的影响.X射线衍射表明,所有薄膜均为高度C轴择优取向,当退火温度低于900℃时,随着退火温度的升高,薄膜的取向性和结晶度都明显提高.室温下对ZnO薄膜进行了光谱分析,退火后的样品均可观测到明显的紫光发射.在一定的退火温度范围内,还可以观测到明显的紫外双峰.空气中退火的样品,当退火温度达到或高于600℃还可观测到绿光发射.实验结果表明,发光峰强度随退火温度和氧气气氛不同而不同,通过改变退火时的温度和氧气气氛可以改变ZnO薄膜的微结构和发光性质.     

退火温度对6H-SiC衬底上ZnO薄膜发光性质的影响

采用溶胶-凝胶方法,在6H-SiC衬底上制备ZnO薄膜.X射线衍射结果表明薄膜是c轴取向的,具有六方纤锌矿多晶结构.研究了退火温度对ZnO薄膜发光特性的影响.发现在650℃退火温度下,观察到近带边紫外发射和可见光发射并且紫外发光强度大于可见光发射.随着退火温度的提高,紫外峰强度减弱直至消失,而绿光发射强度先增加而后降低.对退火温度引起ZnO薄膜发光性质改变的机制进行了探讨.     

退火对电弧离子镀制备的ZnO薄膜的影响

采用阴极电弧离子镀在Si、Al2O3以及玻璃衬底上制备出具有择优取向的ZnO薄膜,并对其进行退火处理.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光光谱(PL)、紫外-可见光光谱仪对ZnO薄膜的结构、表面形貌和光学性能进行分析.XRD结果表明,所制备的ZnO薄膜具有很好的ZnO(002)择优取向,退火使ZnO(002)衍射峰向高角度方向偏移.SEM结果表明,随着退火温度升高,表面晶粒由隆起的山脉或塔状变为平面状,晶粒002面呈六边状.PL谱结果表明,随着退火温度的升高,紫外发光峰强度逐渐增强,可见光发光峰强度逐渐相对减弱.紫外可见光透过谱结果表明,退火使可见光透过率增高,光学带隙发生红移.     

Si(111)衬底上ZnO薄膜的磁控溅射法制备及表征

采用磁控溅射法在(111)单晶硅衬底上沉积了ZnO薄膜,并研究了退火温度对ZnO薄膜晶体质量、晶粒度大小、应力和光致发光谱的影响.X射线衍射(XRD)表明薄膜为高度c轴择优取向.不同退火温度下的ZnO薄膜应力有明显变化,应力分布最为均匀的退火温度为500℃.室温下对ZnO薄膜进行了光谱分析,可观测到明显的紫光发射(波长为380nm左右).实验结果表明,用磁控溅射法在单晶硅衬底上能获得高质量的ZnO薄膜.     

退火对硫化方法制备ZnS薄膜特性的影响

以反应磁控溅射方法沉积ZnO薄膜,然后在空气和H2S气氛中退火制备了六方相ZnS薄膜.用X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见透射光谱和扫描电子显微镜(SEM)对薄膜进行表征.提高空气退火温度能够改善ZnS薄膜结晶性,而空气退火温度超过500℃则会降低ZnS薄膜结晶性.另外,当硫化退火温度低于400℃时,ZnO只能部分转变为ZnS,只有硫化温度等于或大于400℃时,ZnO才能全部转变为ZnS.硫化前后薄膜晶粒尺寸有显著变化.所得ZnS薄膜在可见光范围的透过率约为80;,带隙为3.61 ～3.70 eV.     

在钛酸锶衬底上外延生长ZnO薄膜及其性能研究

用脉冲激光淀积法(PLD)在(111)面SrTiO3衬底上外延生长ZnO单晶薄膜.样品分别在衬底温度为350℃、500℃、600℃下外延生长.X射线衍射(XRD)的结果表明,所得的ZnO单晶薄膜结晶性能好,只出现(002)和(004)两个衍射峰,(002)峰的半高宽度(FWHM)为0.23°.在荧光光谱中我们只观察到来源于带边激子跃迁的强UV发射,并且随着生长温度的升高,紫外峰的强度逐渐增强.样品的SEM图像表明所得ZnO薄膜表面平整,晶粒均匀.衬底温度为600℃时,所得到的ZnO薄膜结构完整,晶粒尺寸最大,均匀;而且紫外发射最强.     

空气退火对ZnS薄膜结构和光学特性的影响

采用X射线衍射、扫描电子显微镜和光致发光等技术研究了空气退火对ZnS薄膜的结构和光学特性的影响.薄膜在500℃以下退火后结晶质量得到改善,仍呈ZnS立方相结构.退火温度达到550℃时,薄膜中出现ZnO六方相结构.薄膜退火后,大气中的氧掺入薄膜中,出现ZnS-ZnO复合层.随退火温度升高,薄膜晶粒尺寸增大,透过率增加,带隙逐渐接近ZnO带隙.薄膜光致发光结果表明,复合层内ZnS和ZnO绿色发光的叠加替代了来自ZnS缺陷能级间的绿色发光.     

Li掺杂对ZnO薄膜的晶体结构和光学性能的影响

采用溶胶-凝胶法在氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底上制备了不同掺杂浓度的Li∶ZnO薄膜,并且利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)、荧光光谱仪(PL)多种测试手段研究了不同掺锂浓度对ZnO薄膜的结构形貌、晶格常数、禁带宽度以及光致发光的影响。结果显示,Li的掺入导致ZnO薄膜的晶格常数减小,同时禁带宽度也减小。光致发光谱表明,掺Li后的ZnO薄膜的可见光发光峰由绿光发光峰和黄光发光峰组成,并且发生红移。我们认为,黄光发射可能是电子由单电离氧空位VO+到缔合缺陷LiZnVO的跃迁引起的,并且提出了缔合缺陷LiZnVO的结构模型。     

F掺杂对溶胶-凝胶法制备的ZnO∶ Fe薄膜结构及光学性质的影响

采用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备了Zn0.98-xFe0.02FxO(x =0,0.01,0.02,0.03,0.04)薄膜,进而利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见透过谱(UV-VIS)、光致发光(PL)多种测试手段研究了不同掺F浓度对ZnO∶ Fe薄膜的表面形貌、微结构、禁带宽度及光致发光的影响.结果表明:样品均为六角纤锌矿结构,当F掺杂浓度为2at;时,薄膜的结晶度最好且表现出明显的c轴择优取向.随着F掺杂浓度的进一步增大,薄膜的结晶性逐渐变差,c轴择优取向消失.F掺杂ZnO∶ Fe薄膜在可见光区均有很高的透过率,平均可达93;.样品的禁带宽度随着掺F浓度的增加而减小.PL谱观察到Zn0.98-xFe0.02FxO薄膜的发射峰主要由紫外发射峰和蓝光发射峰组成,其中2at;F掺杂样品的紫外发射强度最大,同时蓝光发射强度随着F含量的增大逐渐减小.     

Al2O3衬底上生长ZnO薄膜的结构和光学特性

用脉冲激光沉积法在Al2O3(0001)衬底上沉积了ZnO薄膜.衬底温度分别为300℃、400℃、500℃、600℃和700℃.利用X射线衍射(XRD)和光致发光谱(PL)对薄膜的结构和光学性能进行研究.X射线衍射的结果表明在不同温度下生长的ZnO薄膜均具有高度c轴择优取向,衬底温度400℃时,膜的应力较小质量较高.ZnO薄膜有很强的紫外发光峰,紫外发光峰的强度与衬底温度密切相关,并发现当衬底温度从300℃增到400℃时,紫外发射峰出现6nm的蓝移.     

等离子体增强分子束外延生长ZnO薄膜及光电特性的研究

利用等离子体辅助分子束外延设备(P-MBE)在蓝宝石(Al2O3)衬底上外延生长ZnO薄膜,研究了不同生长温度对结晶质量的影响.随着生长温度的升高,X射线摇摆曲线(XRC)半高宽从0.88°变窄至 0.29°,从原子力显微镜(AFM)图像中发现薄膜中晶粒从20nm左右增大至200nm,室温光致发光(PL)谱中显示了一个近带边的紫外光发射(UVE)和一个与深中心有关的可见光发射.随着生长温度升高,可见光发射逐渐变弱,薄膜的室温载流子浓度由1.06×1019/cm3减少到7.66×1016/cm3,表明在高温下生长的薄膜中锌氧化学计量比趋于平衡,高质量的ZnO薄膜被获得.通过测量变温光谱,证实所有样品在室温下PL谱中紫外发光都来自于自由激子发射;随着生长温度的变化UVE峰位蓝移与晶粒尺寸不同引起的量子限域效应相关.     

XPS研究N-Al共掺p型ZnO薄膜的传导特性

采用螺旋波等离子体辅助射频磁控溅射技术,在α-Al2 O3衬底上制备了N-Al共掺ZnO薄膜样品.Hall测量表明室温下ZnAlO∶N薄膜为n型传导,在O2等离子体气氛中550℃退火后变为p型.p型ZnO薄膜的载流子浓度为2.1×1016 cm-3,霍尔迁移率为5 cm2/V·s.用X射线光电子能谱仪(XPS)对退火前后的ZnO薄膜进行了各元素的化学态分析.XPS结果表明,ZnAlO∶N薄膜中存在两种与N元素有关的缺陷,N原子替代O位形成的(N)o和N分子替代O位形成的(N2)o.退火后ZnAlO∶N薄膜中(N2)o缺陷减少,(N)o缺陷浓度占优导致了薄膜传导类型转变.     

Cu掺杂ZnO薄膜的制备及其光谱特性

采用溶胶-凝胶法在铟锡氧化物(ITO)导电玻璃基底上制备了不同掺杂浓度的Cu∶ ZnO薄膜.采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了薄膜样品的晶相结构和形貌,用荧光光谱仪测量了薄膜样品的光致发光谱.结果表明:Cu∶ ZnO薄膜均为六角纤锌矿结构,呈c轴择优取向,且因压应力的存在使其晶格常数略小于未掺杂薄膜样品的晶格常数;低温和高温退火处理的薄膜样品的光致发光谱(PL)中分别观察到414 nm、438 nm的蓝光双发射峰和510 nm左右的绿光发射峰.蓝光发射峰与样品中的Vzn和Zni有关,而绿光发射峰与样品中的Vo -Zni有关.     

退火效应对MOCVD生长的ZnO薄膜的影响

我们利用MOCVD设备在α-Al2O3衬底上生长了c轴取向的ZnO薄膜,通过X射线衍射(XRD)、光致发光谱(PL)对ZnO薄膜进行表征,研究了退火对ZnO薄膜光电特性影响.通过退火优化, ZnO薄膜的结晶性得到提高,晶粒尺寸变大,紫外光发射峰的强度相对变强.     

衬底温度对磁控溅射法制备掺Ta氧化锌薄膜性能的影响

采用射频磁控溅射法,在不同的衬底温度下制备了钽(Ta)掺杂的氧化锌(ZnO)薄膜,采用X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见分光光度计和光致发光(PL)光谱研究了衬底温度对制备的Ta掺杂ZnO薄膜的组分、微观结构、形貌和光学特性的影响.EDS的检测结果表明,Ta元素成功掺入到了ZnO薄膜;XRD图谱表明,掺入的Ta杂质是替代式杂质,没有破坏ZnO的六方晶格结构,随着衬底温度的升高,(002)衍射峰的强度先增大后降低,在400℃时达到最大;SEM测试表明当衬底温度较高时(400℃和500℃),Ta掺杂ZnO薄膜的晶粒明显变大;紫外-可见透过光谱显示,在可见光范围,Ta掺杂ZnO薄膜的平均透光率均高于80;,衬底不加热时制备的Ta掺杂ZnO的透光率最高;制备的Ta掺杂ZnO薄膜的禁带宽度范围为3.34~3.37eV,衬底温度为500℃时制备的Ta掺杂ZnO薄膜的禁带宽度最小,为3.34eV.PL光谱表明衬底温度为500℃时制备的Ta掺杂ZnO薄膜中缺陷较多,这也是造成薄膜禁带宽度变小的原因.     

碱金属掺杂ZnO薄膜发光性能研究

采用固相反应法制备了不同比例的碱金属掺杂ZnO靶材,并利用磁控溅射法在Si(111)基片上制备不同温度下生长的c轴择优取向ZnO薄膜.通过XRD、AFM和荧光光谱(PL谱)研究了掺杂元素和掺杂比例对薄膜结构和发光特性的影响.结果表明,掺杂未改变ZnO的结构,薄膜具有很好的c轴择优取向.室温下用325 nm的氙灯作为激发光源得到不同样品的 PL 谱,分析表明,紫外发光峰来源于自由激子的复合辐射与带间跃迁,蓝绿发光峰与锌缺陷和氧缺陷有关.此外还探讨了紫外发光峰红移的可能机理.     

蓝宝石衬底上磁控溅射法室温制备外延ZnO薄膜

在室温条件下,采用磁控溅射方法在蓝宝石(0001)衬底上制备了外延的ZnO薄膜.采用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、可见-紫外分光光度计系统研究了ZnO薄膜微观结构和光学特性.AFM测量结果表明ZnO薄膜具有较为均匀的ZnO晶粒,表面平整,具有较小的均方根粗糙度(0.9 nm);X射线衍射结果表明制备的ZnO薄膜为具有六角纤锌矿结构的外延薄膜;光学透射谱显示样品在可见光范围内具有较高的透过性,并在370 nm附近出现一个较陡的吸收边,表明在室温下制备出了具有较高质量的ZnO薄膜.     

退火温度和涂膜层数对溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜微结构及光学特性的影响

采用溶胶-凝胶法在玻璃基片上制备了ZnO薄膜,研究了退火温度和涂膜层数对ZnO薄膜结晶性和光学特性的影响.扫描电镜(SEM)结果表明,退火温度的升高使得薄膜致密性和均匀性均得到改善.旋涂10层以上的薄膜其表面形貌明显要好于旋涂5层的薄膜样品,但旋涂10层和20层的薄膜其形貌和微结构差异并不显著.XRD图谱表明所有样品都具有纤锌矿结构,随着热处理温度的升高,各衍射峰强度增大,晶粒尺寸变大.光致发光(PL)测量显示,退火温度越高,涂膜层数越少,其PL谱发光强度越强.紫外-可见透过谱发现,涂膜层数越少,透射率越高;而提高退火温度也有助于改善薄膜透射率.结合已得到的微结构信息,对观察到的光学性能进行了合理解释,综合认为旋涂10层并在600℃退火是溶胶凝胶法制备ZnO薄膜的最佳生长条件.     

掺Cd对ZnO薄膜光学性能的影响

采用溶胶-凝胶法在石英玻璃上制备了不同掺Cd浓度的ZnO薄膜.X射线衍射(XRD)结果表明,所制备的薄膜具有c抽择优取向,随着Cd掺杂浓度的升高,(002)峰向低角度方向移动.UV透射曲线表明,薄膜具有明显的紫外吸收边,通过改变Cd的掺入浓度,可以使吸收边向长波方向移动并被控制在一定范围内,从而使薄膜的禁带宽度连续可调;薄膜的光致发光(PL)谱显示,ZnO薄膜的PL谱是由紫外激子发光峰和蓝光发光带组成,通过掺入Cd可使紫外带边发射的峰位向低能端方向红移,这与透射谱中吸收带边的红移相吻合,由紫外发光峰得到的光禁带宽度和由透射谱拟合得到的光禁带基本一致.对不同掺杂浓度的薄膜进行了比较,发现Cd掺入量为8;摩尔分数时ZnO薄膜具有最佳的结构性能和发光性能.