Ag/ZnO纳米复合薄膜的生长机理及光电性质的研究

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纳米材料氧化锌(Zinc Oxide,ZnO),因其丰富而独特的光学、电学等特性吸引了众多科研工作者的目光,逐渐代替ITO、Ga N等热门材料成为纳米材料领域又一研究热点。研究发现,通过掺杂、复合、修饰等手段能改善ZnO的固有缺陷(氧空位、锌间隙等),并能将n型的ZnO转化为p型ZnO,改良其光学、电学等性质。为此,多位研究人员运用不同的实验方法例如磁控溅射法、水热法、溶胶凝胶法等,制备了不同元素(金属,非金属,氧化物等)复合、掺杂、修饰的ZnO纳米材料。但有关两步磁控溅射/磁控溅射(Magnetron sputtering/Magnetron sputtering,MS/MS)制备银复合氧化锌纳米薄膜(Silver composite Zinc Oxide nanofilm,AZO NFm)的研究较少。首先,本文利用MS/MS制备了AZO NFm,研究了不同溅射功率(Sputtering Power,p)和不同溅射时间(Sputtering Time,t)对材料表面形貌、生长机制、微观结构的影响,并对AZO NFm的电学性质、线性/非线性光学性质等进行了一系列系统地研究。结果表明,制备样品时不同的实验参数对其表面形貌、生长机制、光电性质等都有较大影响。例如,所有AZO NFm均是由粒子堆积的柱状晶组成,但柱状晶大小有明显差别;样品表现出较好的c轴择优生长;Ag的复合不改变ZnO NFm的结构但会影响ZnO NFm的(110)峰;AZO NFm样品中的大多数Ag以AgxOy化合物形式存在,但Ag元素的含量发生了明显变化等等。其次,对AZO NFm的生长机制及电学性质进行研究。由于样品受ES势垒等因素的影响,Ag在ZnO纳米薄膜表面生长时,首先以ZnO为核生长,后以Ag自身为核成核生长,而受Ag Zn受主与ZnO施主缺陷关系的影响,溅射时间较短(AZO-50s NFm)或是溅射功率较大(AZO-9w NFm)时,样品表现为n型导电,其它样品皆为p型导电。最后,分析了所有AZO NFm样品的线性光学性质及不同溅射功率AZO NFm的非线性光学性质。由于ZnO的激子吸收,所有AZO NFm样品在367nm处皆出现吸收峰。除AZO-9w NFm样品外,其它样品较ZnO NFm吸收边皆出现了不同程度的红移现象。同时,所有样品的吸收峰强度较ZnO NFm都出现了不同程度的变化,禁带宽度明显变小。而由计算可知,ZnO NFm和不同功率的AZO NFm的非线性吸收系数β分别为:分别为3.373×10-8cm/GW、9.622×10-9cm/GW、5.272×10-9cm/GW和2.149×10-9cm/GW、7.170×10-9cm/GW即不同功率的AZO NFm的非线性吸收系数的数量级为10-9cm/GW较ZnO NFm降低了一个数量级。
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