ZnS薄膜硫化生长及其结构与光学性能研究

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本文采用磁控溅射法结合硫化法制备了Zn S薄膜和Zn S:Cu薄膜,并使用XRD,SEM,EDS,AFM,拉曼光谱,慢正电子束多普勒展宽能谱和UV-Vis分光光度计对样品进行晶体结构,形貌,成分,微观缺陷和光学性能进行表征,系统研究了薄膜厚度,衬底类型,硫化时间对ZnS薄膜和ZnS:Cu薄膜的结构,微观缺陷与光学性质的影响。500℃下硫化不同厚度的Zn:Cu金属薄膜4h制得的不同厚度的ZnS:Cu薄膜的测试结果表明,ZnS:Cu薄膜为立方相结构。X射线衍射峰和拉曼位移的偏移均表明Cu2+成功的掺杂进ZnS的晶格中。随着膜厚的增加,Zn S:Cu薄膜的结晶度,致密性和化学计量比均出现了明显变化。这些Zn S:Cu薄膜在可见光范围内显示出低透射率,带隙能量为3.52-3.62e V。慢正电子束多普勒展宽测量揭示了Zn S:Cu薄膜的微观缺陷及其类型变化。500℃下硫化在不同的衬底上沉积的Zn:Cu金属薄膜4h制得的ZnS:Cu薄膜的测试结果表明,蓝宝石衬底上生长的Zn S:Cu薄膜的结晶性最好,晶粒尺寸最大,微观缺陷的浓度最低,而在单晶Si衬底上生长的Zn S:Cu薄膜的结晶性最差,晶粒尺寸最小,微观缺陷的浓度最大,且微观缺陷的类型最为复杂。研究发现,晶格失配并不是影响薄膜生长的主要因素,薄膜的生长是由衬底的表面粗糙度,衬底与薄膜之间的附着力,和衬底的化学性质共同决定的。440℃下硫化不同时间制得的ZnS薄膜的测试结果表明,硫化时间对样品的结晶度和光学性能有重要影响。随着硫化时间的增加,样品的结晶度将得到改善。但是硫化时间过长会使样品结晶性变差。可见光范围内所有样品的透射率均在60%以上。硫化6h后样品的结晶度最好,带隙值为3.49eV。样品形成六方相Zn S,其表面自由能较低。还讨论了晶粒比表面积和S蒸气气氛对晶粒生长的影响。慢正电子束多普勒展宽测试结果直观地揭示了Zn S膜中微观缺陷的变化,这与XRD和SEM分析的结果一致。
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