掺杂ZnO薄膜的结构、表面形貌及光学性能的研究

被引量 : 7次 | 上传用户:lijing2007110311
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ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料,具有较高的激子束缚能,优良的光电性能,良好的气敏压敏性能及较高的化学稳定性和热稳定性等。自然状态下,本征ZnO薄膜的电学和光学性能低,因此通过掺杂和优化制备工艺条件等手段可以改善ZnO薄膜的光电性能,使其应用于光电器件领域。本文采用溶胶-凝胶法和改进Pechini法在石英玻璃基底上分别制备了Al掺杂、Mg掺杂、Mg-Al共掺杂ZnO薄膜及其复合薄膜。研究了产物的结构、表面形貌及光学性能。主要研究内容及结果如下:(1)研究了溶胶浓度、Al掺杂量、退火温度及薄膜厚度对Al-ZnO(AZO)薄膜微观结构及光学性能的影响。结果表明:Al掺杂并未改变ZnO薄膜的晶体结构,且其结晶质量随Al掺杂浓度的增加而降低。在可见光区域内,AZO薄膜的平均光学透过率在90%以上。当Al掺杂浓度从0%增加到9%时,AZO薄膜的光学带隙从3.283eV增加到3.352eV。室温下的PL谱表明AZO薄膜的缺陷发射峰随Al掺杂浓度的增加从610nm的橙光蓝移到584nm的黄光。(2)研究了溶胶浓度、Al掺杂量、退火温度及薄膜厚度对Mg-Al-ZnO(MAZO)薄膜结构及光学性能的影响。结果表明:Al、Mg共掺杂也未改变ZnO薄膜的晶体结构,产物薄膜随退火温度的增加而沿(101)晶面择优取向生长,且晶粒尺寸从20.58nm增大到42.26nm。EDS谱表明MAZO薄膜含有Zn、Mg、Al、O元素。当退火温度从500C增加到800C时,MAZO薄膜的光学带隙从3.348eV减小到3.304eV。室温下的PL谱表明随退火温度的增加,紫外发射峰从372nm红移到379nm,而可见光发射峰从598nm的黄橙光蓝移到527nm的绿光。(3)研究了MAZO/ZnO及MAZO/AZO多层薄膜的微观结构及光学性能。结果表明:MAZO/AZO复合薄膜具有沿(002)晶面方向择优取向生长特性。该种复合薄膜在可见光区的平均光学透过率仍在90%以上,但明显地抑制了可见光区的光发射,并促进了产物的紫外发光。(4)采用改进Pechini法在石英玻璃上制备了Mg-ZnO(MZO)薄膜。结果表明:低于10%浓度的Mg掺杂ZnO薄膜均具有六方纤锌矿结构,且随Mg离子掺杂量的增加,(002)衍射峰向高角方向移动。在可见光区域内,MZO薄膜的平均光学透过率在90%以上。光学带隙随Mg离子掺杂量的增加从3.36eV增大到3.66eV。室温下的PL谱表明当Mg掺杂浓度从3%增加到10%时,MZO薄膜的绿光发射峰从522nm红移到550nm,且绿光发射峰强度逐渐增强。
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