【摘 要】
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氧化锌（ZnO）作为第三代宽禁带半导体,因具有宽的带隙（3.37 e V）、大的激子束缚能（60 me V）以及稳定的物理和化学特性,而在众多领域中存在着潜在应用价值。ZnO纳米粒子的性质很大程度上取决于其微晶尺寸和形态,而微晶尺寸和形态又取决于合成方法。因此,本文从合成方法入手,采用高温热解法和溶胶凝胶法分别制备了掺杂ZnO纳米粒子和掺杂ZnO纳米薄膜,同时通过调控掺杂元素和比例,进而调控ZnO
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氧化锌（ZnO）作为第三代宽禁带半导体,因具有宽的带隙（3.37 e V）、大的激子束缚能（60 me V）以及稳定的物理和化学特性,而在众多领域中存在着潜在应用价值。ZnO纳米粒子的性质很大程度上取决于其微晶尺寸和形态,而微晶尺寸和形态又取决于合成方法。因此,本文从合成方法入手,采用高温热解法和溶胶凝胶法分别制备了掺杂ZnO纳米粒子和掺杂ZnO纳米薄膜,同时通过调控掺杂元素和比例,进而调控ZnO纳米材料的性能。其主要研究内容及所取得的成果如下:（1）采用高温热解法制备了Zn1-xMgxO（x=0.1、0.2、0.3、0.4）,Zn1-yByO（y=0.01、0.02）,Zn1-x-yMgxByO（x=0.1、0.2、0.3、0.4,y=0.02、0.04）纳米颗粒,通过对纳米粒子进行XRD、SEM和紫外可见光谱的表征,研究Mg、B的掺杂浓度对ZnO纳米粒子的影响。结果表明,Mg掺杂提高了晶体的结晶质量,但Mg掺杂原子摩尔浓度高于0.4时合金颗粒出现杂质相,B掺杂降低了晶体的结晶质量。由于载流子浓度的影响,在Mg浓度低时（x=0.1）掺入B时,纳米粒子的禁带宽度进一步由3.289 e V提高至3.335 e V。（2）采用溶胶凝胶法制备了不同旋涂次数（1、3、5、7、9、11、13）和退火温度（400℃、500℃、600℃、700℃）的ZnO薄膜,探究ZnO薄膜的制备工艺。结果表明,旋涂次数越多,薄膜的结晶质量越好,但透过率随之下降,而退火温度过高或过低时都无法获得结晶质量良好的ZnO薄膜。实验结果表明:当旋涂次数为5层、退火温度为500℃时,ZnO薄膜综合性能最佳,透过率达到85%,且获得了最高的带隙值和最低的电阻率。（3）采用溶胶凝胶法制备了Zn1-xMgxO（x=0.1、0.15、0.2、0.25、0.3）、Zn1-yByO（y=0.01、0.02、0.03、0.04）和Zn1-x-yMgxByO（x=0.2,y=0.01、0.02、0.03、0.04）掺杂薄膜,考察掺杂元素及种类对薄膜性能的影响。结果表明,Mg掺杂和B掺杂都对ZnO薄膜的结晶质量和表面形貌有很大影响。纯Mg掺杂时,当Mg的原子摩尔浓度为0.2时复合薄膜性能最佳,此时Zn Mg O薄膜透过率最佳,平均透过率达到了98.79%,电阻率最低,达到了15.3Ω·cm。纯B元素的掺杂使薄膜结晶质量恶化,但可以很好的降低薄膜的电阻率。进一步的,在Mg的原子摩尔浓度为0.2时掺入B,可以发现,B元素使复合薄膜的结晶质量恶化,但由于B的掺入提供了额外载流子,复合薄膜的带隙出现下降,电阻值进一步由15.3Ω·cm降低至6.2Ω·cm,电学性能得到了明显提升。本论文通过控制Mg掺入的比例可以实现ZnO的光学带隙值在一定范围内连续可调,提高ZnO的光学性能;此外,通过控制Zn Mg O薄膜中B的掺杂比例可以进一步提高复合薄膜的电学性能。研究表明,调节Mg、B的掺杂比例可是制备出光电性能可调控的复合ZnO薄膜,并有望用于紫外器件、透明导电氧化物薄膜等领域。
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