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氧化锌是具有六方结构的重要功能材料,室温下能带带隙为3.3eV,激子束缚能高达60meV,在紫外波段具有较强的自由激子发光,是近年来继GaN之后国际上又一研究热点。较之传统的薄膜制备方法,电化学沉积法制备方法具有简单、低成本、低温制备以及膜厚和形貌可控等优点,显示出广泛的应用前景。在本论文中,使用电化学沉积法在ITO玻璃衬底上制备出了ZnO薄膜。在此基础上,首先详细研究了电沉积时间、电压、退火等因素对ZnO薄膜形貌和光学性质的影响。接着研究了ZnO薄膜的紫外激射行为。为实现对ZnO紫外激射模和阈值的调制,用垂直浸渍法制备了有序的SiO2微球阵列,以此opal结构模版并结合电化学沉积方法制备了周期结构的ZnO薄膜。最后对在ITO玻璃上制备取向生长的棒状颗粒ZnO薄膜的实验条件进行了初步的研究。
主要结果如下:
1.在三电极化学池中,利用电化学沉积法,成功地在Zn(NO3)2水溶液中制备出了ZnO薄膜。X射线衍射结果表明ZnO具有纤锌矿结构。薄膜的形貌和光学性质受到沉积时间,沉积电压和退火处理的影响。薄膜光学透射谱和AFM的结果显示,当沉积时间5min,沉积电压为-0.9V和-1.0V时,薄膜的透射率较高,膜比较致密、平滑。因此我们用电化学沉积法制备ZnO薄膜,最佳的沉积条件是:使用0.1MZn(NO3)2水溶液作为电沉积液,先用阴极恒电流模式对基片进行预电化学活化处理(电流2mA,时间为15s),再采用阴极恒电压模式电沉积ZnO薄膜,电压控制在-0.9~-1.0V,反应温度为65℃,沉积时间为5~10min。
2.用355nm的皮秒脉冲激光作为泵浦源垂直入射薄膜表面,室温下观察到了ZnO薄膜的紫外激射现象。可以检测到403.9nm的近紫外受激发射光,其强度随入射强度呈超线性增长关系,阈值在196.8kW/cm2处。由于我们样品的激发面积较大,阈值偏低;同时我们在各个方向都观察到了激光发射,这都表明了我们的样品有着随机激光发射的性质。
3.采用改进的Stober方法制备了SiO2微球,并用垂直沉积法制备了Opal(蛋白石)结构的SiO2模版,并以此为模版采用电化学沉积法制备周期结构ZnO薄膜。电沉积后SiO2微球表面包覆了的一层紧密ZnO颗粒,尺寸为几十纳米,并且这些颗粒膜具有与Opal结构SiO2模版相同的周期。同时在ITO导电玻璃上,初步研究了取向生长的棒状颗粒ZnO薄膜的制备条件,获得了长径比约为5:1的棒状ZnO多晶颗粒。