溶胶凝胶ZnO-CdO薄膜的晶体生长及性能研究

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ZnO是一种重要的II-VI族新型宽禁带n型半导体材料，直接带隙能3.3 eV，激子束缚能（60 meV)。ZnO中掺入Cd形成的ZnO-CdO半导体材料带隙能从3.3 eV减小至2.2 eV，其光致发光可红移至可见区，是一种应用于可见发光的潜在材料。本文采用溶胶-凝胶法制备ZnO-CdO薄膜，利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)、荧光光谱仪(PL)等测试方法研究薄膜的结构、形貌及光学性能。首次通过等温抛物线晶体生长动力学和 Johnson-Mehl-Avrami(JMA)等温法研究薄膜晶体生长动力学和结晶动力学行为。主要研究结论和创新点如下。 1、采用溶胶-凝胶法制备ZnO-CdO薄膜，固定热处理条件为500℃退火1h，研究了不同预处理温度对薄膜结构与光学性能的影响。当预处理温度为200℃及以上时，薄膜沿c轴择优定向生长，且随预处理温度越高择优取向越好。随Cd的含量增加，ZnO-CdO薄膜晶体结构由纯纤锌矿结构变为纤锌矿和岩盐矿混合相结构，最后变为纯岩盐矿结构。平均晶粒尺寸大小随Cd的含量增加先减小后增大，紫外吸收边发生明显红移，光学透过率90%降低至80%，光学带隙能从3.31 eV减小至2.20 eV。随Cd含量的增加，薄膜的本征发光峰发生明显的红移。 2、纯ZnO、CdO和0.5ZnO-0.5CdO薄膜厚度分别约为350 nm、270 nm和200 nm，薄膜具有多晶性质且结晶度良好。ZnO薄膜晶体生长平均活化能约为25±3 kJ/mol，CdO薄膜晶体生长平均活化能约为13±1 kJ/mol，0.5ZnO-0.5CdO薄膜中CdO晶体生长平均活化能约为10.5±1 kJ/mol。在573 K≤T≤773 K和10 min≤t≤60 min条件下，采用抛物线等温法晶体生长动力学研究ZnO薄膜、CdO薄膜以及0.5ZnO-0.5CdO两相复合薄膜中CdO的晶体生长行为，计算得到ZnO和CdO薄膜晶体生长动力学公式分别表示为：此处为公式省略 0.5ZnO-0.5CdO薄膜中CdO晶体生长的动力学公式为：此处为公式省略 3、采用修正 Johnson-Mehl-Avrami(JMA)模型，对两相共存体系0.5ZnO-0.5CdO薄膜在热处理温度和时间分别为573 K≤T≤773 K和10 min≤t≤60 min条件下的结晶行为，得到0.5ZnO-0.5CdO薄膜中CdO和ZnO结晶活化能分别为49.5 kJ/mol和121.5 kJ/mol，修正公式分别为：此处为公式省略 4、0.5ZnO-0.5CdO薄膜光学带隙能（Eg）随CdO平均晶粒尺寸的增大先减小后增大，先红移后蓝移，临界晶粒尺寸为15.9 nm。当在573 K至773 K退火60 min时，ZnO结晶度从5.12%增加到20.91%，光学带隙能（Eg）从2.68 eV增大至3.10 eV，表现出蓝移效应。

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作者
黄波;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科新能源材料
授予学位博士
导师姓名赵修建;
年度 2017
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类
关键词
溶胶凝胶; 薄膜; 晶体生长;

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