磁控溅射制备ZnO及Ag掺杂ZnO纳米薄膜的结构及其光学特性研究

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随着信息技术的迅猛发展，用光代替电子作为信息的载体，加快信息的传递速度，已成为光通讯技术和光电子计算机发展的必然趋势。光电子信息材料是本世纪最受关注的材料之一。在光电子学、光化学、微电子学等领域，ZnO 必将成为未来半导体材料研究中最具前景的材料之一。ZnO 薄膜的结构及其光学特性强烈的依赖于制备条件，例如衬底温度、沉积方法、工作气压、溅射氧分压及衬底类型等。
　　本论文中，为了系统的研究制备条件对ZnO纳米薄膜显微结构及其光学特性的影响，用射频反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备出了八个具有c 轴高择优取向的ZnO 薄膜样品(T1，T2，T3，T4，P1，P2，P3，P4，P5，其中T4与P2 同)，应用X 射线衍射仪、紫外—可见分光光度计、扫描探针显微技术、荧光分光光度计关于衬底温度、氧分压对于ZnO 薄膜样品结构及其光学特性的影响作了详细的分析研究。
　　结构分析部分研究结果表明，所制备样品的半高宽、晶粒尺寸作为衬底温度以及氧分压的函数时表现出规律性的变化；合适的衬底温度以及溅射氧分压有利于提高ZnO薄膜的结晶质量；当工作气压恒定时，用射频反应磁控溅射制备的ZnO薄膜的生长行为主要取决于成膜空间中氧的密度。
　　对8个样品进行光吸收谱测量，观察到薄膜在紫外区显示出较强的光吸收，在可见光区的平均透过率达到90﹪以上。随着衬底温度的升高，薄膜的光学带隙减小、吸收边红移；随着氧分压的不断增大，五个薄膜样品的光学带隙表现出不同的实验值。采用量子限域模型对薄膜的光学带隙作了相应的理论计算，计算结果与实验拟合值符合得较好。这也表明ZnO纳米晶粒较小时，薄膜光学带隙的变化与量子限域效应有很大关系。
　　在室温下测量四个样品（T1，T2，T3，T4）的光致发光谱(PL)，观察到波长位于400nm左右的紫光、446nm左右的蓝色发光峰及502nm左右微弱的绿光峰。实验发现，随衬底温度升高，样品的PL谱中紫光及蓝光强度迅速增大，同时，绿光峰的强度也表现出一定程度的增强。经分析得出紫光应是激子发光所致，而锌填隙则是引起蓝光发射的主要原因，502nm左右的绿光峰应该是氧的深能级缺陷造成的，并结合对样品吸收谱的拟合结果作了进一步的验证。
　　此外，采用射频反应磁控溅射法在玻璃衬底上制备出含银量不同的银掺杂ZnO 薄膜，利用X 射线衍射仪、紫外分光光度计及荧光分光光度计研究了不同Ag 掺杂量对ZnO 薄膜结构及荧光发射的影响。在室温下测量样品的光致发光谱(PL)，所有样品都出现了468nm 左右的蓝色发光峰，掺杂以后的样品观察到波长位于368nm 左右的较强紫外发射。结合X 射线衍射仪、紫外可见分光光度计等的测量结果，分析认为，样品紫外光发射的显著增强源于Ag 掺杂以后Ag纳米团簇和ZnO 晶粒界面形成的大量激子，而蓝光的发射来源于Zn2+空位。从所制备样品的光学透射谱我们发现，随着Ag 掺杂量的增大，光学带边先向短波长移动，随后向长波长移动，对所制备样品的光学带隙用量子限制模型作了理论计算，计算结果与实验结果符合的较好。

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作者
徐小丽;
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作者单位

西北师范大学;

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授予单位西北师范大学;
学科凝聚态物理
授予学位硕士
导师姓名马书懿;
年度 2008
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TN304.055;O493.3;
关键词
ZnO薄膜; 射频磁控溅射; X射线衍射; 光学特性; 量子限制模型; 溅射氧分压;

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