超声喷雾热分解法制备Sn掺杂ZnO薄膜及其性能研究

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氧化锌(ZnO)是一种具有宽禁带(约为3.37 eV)的优秀半导体材料,由于它具备激子束缚能(60 meV)大、光透过率高、介电常数低、温度稳定性好和易于掺杂等优点,在太阳能电池、表面声波器件、紫外探测器、低辐射玻璃、传感器及发光器件等领域都具有极大的应用前景。理论和实验研究结果都表明,掺杂可以有效地提高ZnO的光学性能、电性能和稳定性。目前,Sn掺杂ZnO薄膜研究较少,尤其是采用超声雾化热分解法制备Sn掺杂ZnO薄膜。本文以SnCl2作为掺杂源,采用双源超声雾化热分解方法和技术,在不同生长条件下实现高质量Sn掺杂ZnO薄膜的可控生长,制备了掺锡氧化锌薄膜。其开展的研究工作主要有以下几点:1.研究了Sn掺杂的ZnO(ZSO)薄膜的沉积机理,利用超声喷雾热分解技术,通过控制衬底温度(425℃、450℃、475℃、500℃和525℃)、掺杂浓度(0at.%、1at.%、2at.%、3at.%、4at.%、5at.%、6at.%)和喷涂时间(8min、12min、16min、20min、24min、28min)3个生长条件,在玻璃基底上生长ZnO:Sn薄膜,并对生长完成的薄膜样品进行退火处理,以获得性能优良的Sn掺杂ZnO薄膜;2.利用XRD设备对薄膜样品的结晶性能进行表征,结果表明实验制备的Sn掺杂ZnO薄膜是沿(00L)方向择优生长的薄膜,且衬底温度,喷涂时间,掺杂浓度均不改变其晶体结构,但可改善其结晶性能;3.利用紫外-可见光分光光度计对ZnO:Sn薄膜的可见光透射率进行表征,并结合理论知识计算推导出其光学带隙,并采用接触角测试仪对ZnO:Sn薄膜的接触角进行测试及分析;通过实验研究和理论分析,得到的主要结果如下:1.掺杂浓度和喷涂时间等生长条件能够有效调控ZnO薄膜的光学带隙。随着衬底温度的增加,ZnO:Sn薄膜可见光的透过率逐渐降低,光学带隙表现出先增大后减小,再增大,最后减小的情况;随着掺杂浓度的增加,ZnO:Sn薄膜可见光透射率先升高,后降低,再升高,最后降低,掺杂后的紫外吸收都比未掺杂的紫外吸收度高,其光学带隙随着掺杂浓度的升高总体呈现增大的趋势,在3at.%的掺杂浓度下略微减小;随着喷涂时间的增加,薄膜可见光透过率降低,光学带隙也表现出先增大后减小,再增大,最后减小的情况;2.SEM结果表明,随着温度的升高,薄膜表面颗粒尺寸越来越大,在475℃与500℃时,大小均匀,薄膜表面致密平整。透射光谱测试结果表明在450℃的衬底温度下生长的薄膜可见光透射率达到了79%且具有较好的紫外线吸收率。3.通过采用接触角测试仪对ZnO:Sn薄膜的接触角进行测试及分析,其结果显示,Sn掺杂ZnO薄膜大部分样品呈现出不润湿的状态,具有较好的疏水性,在其实际使用过程中具有不易老化,使用周期长,自洁功能佳等优点。本文的研究结果表明,Sn掺杂对ZnO的光学性质具有较好的调控作用,在不同生长条件下可实现高质量Sn掺杂ZnO薄膜的可控生长,使其成为一种光学性能良好的透明导电氧化物薄膜材料,并对其开展实际应用研究提供有参考价值的数据基础和理论支撑。
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