转载ZnO纳米材料的制备及其特性研究摘要 所属专业:原子与分子物理
ZnO是宽带隙Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,由于其光电特性受缺陷影响较小,激子束缚能较高(60meV,GaN为25meV),体材料可得,生长温度较低(可在200-700℃左右成膜,比GaN低几百度),并且材料来源广泛、价格低廉,而成为继GaN之后在光电研究领域,极有希望用于紫外和蓝色发光器件的新型光电子材料。ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。由于这些优异的性质,使其具有广泛的用途和许多潜在用途,如制作紫外探测器、紫外发光管和激光器、高频表面声波器件、透明导电电极、微型传感器等,其在航天、通讯、卫生等高新技术领域和广阔民用领域都具有广泛的用途。
制备ZnO薄膜的方法有很多,包括:磁控溅射( uttering)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、原子层外延(ALE)、化学气相沉积(CVD)、电子束蒸发沉积(e-beamevaporation)、喷涂热解法( raypyrolysis)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)、脉冲激光沉积(pulsedlaserdeposition,PLD)法等。激光脉冲沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术,它是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物淀积在加热衬底上生长晶体薄膜的。脉冲激光沉积法与其它沉积方法相比有沉积时可以有较高的氧气压强,薄膜生长温度低等优点。
本论文是采用脉冲激光沉积的方法,在单晶Si(111)衬底上外延生长了沿c轴高度取向的ZnO薄膜。本文分析研究了薄膜生长条件(不同的衬底温度、不同的入射激光能量密度和不同的氧气压强)对ZnO薄膜性质的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、光致发光和拉曼(Raman)散射技术对不同条件下生长的ZnO薄膜的性质进行了研究。
在其它参量保持不变的情况下,通过改变衬底温度来研究它对ZnO薄膜的影响。结果显示,较高的温度时生长的薄膜具有较好的结晶质量,最佳生长温度为400℃。薄膜的光致发光谱中有两条发光峰,一条为紫外峰,另一条为蓝光峰。紫外峰的强度强烈依赖于薄膜的结晶度。蓝光峰是由氧空位引起的,其强度随衬底温度的升高变强。原因是,较高的温度会导致薄膜中氧原子的脱附,从而导致薄膜中氧空位增多,所以蓝光峰的强度变强。
在保持其它实验参量不变的条件下,通过改变入射激光能量密度来研究它对ZnO薄膜结晶性以及发光性能的影响。结果发现,入射激光能量密度为62.5J/cm2时,薄膜有最好的结晶度。通过光致发光谱结果发现,入射激光能量密度的提高会增强蓝光峰的发光强度。入射激光能量密度的提高会加快ZnO薄膜与Si衬底之间相互扩散速度,形成更多的SiO2从而增加薄膜中的氧空位,所以蓝光发光峰的强度变强。
在不同的氧气压强下制备了ZnO薄膜,并采用X射线衍射、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱仪研究了它的结构特性、表面形貌和拉曼光谱。结果发现,随着氧气压强的增加,(002)衍射峰的强度越来越强,而半高全宽迅速变窄,薄膜质量提高。通过对拉曼光谱的分析,我们发现氧气压强对薄膜中的缺陷的影响非常明显,从而进一步证明了蓝光峰是由薄膜中的氧空位形成的。结果显示,氧压为1.3Pa为最佳生长条件。
关键字:ZnO,脉冲激光沉积,表面形貌,光致发光,拉曼光谱,纳米材料