ZnO基薄膜的、异质结制备与应用研究

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ZnO室温下的禁带宽度为3.37eV,吸收边位于紫外波段,在可见光区透明,与MgO合金化得到的更宽禁带的ZnMgO薄膜可应用在深紫外光电器件中。掺入Al、Ga和F等施主掺杂剂可以有效地改善ZnO的本征n型导电性能。科技的进步促使电子器件朝柔性化、超薄化方向发展,迫切需要发展柔性透明导电材料。因此,制备柔性透明导电ZnO基材料具有非常重要的现实意义。在本论文中,我们采用脉冲激光沉积技术(PLD,Plused Laser Deposition)制备了F掺杂ZnMgO(ZMOF)透明导电薄膜,此外,为了满足柔性器件的应用要求,我们还开展了柔性ZMOF透明导电薄膜的研究。  由于制备高质量、可重复并稳定存在的p型ZnO仍是一个难点,导致ZnO同质结器件的制备困难,因此,选用p型NiO与n型ZnO制备的ZnO基异质结器件受到广泛关注。在ZnO/NiO异质结的基础上,我们通过调节Mg含量来制备不同禁带宽度的Nil-xMgxO薄膜,与ZnO和ZnMgO制备成异质结器件并深入研究其能带结构。  1.采用PLD方法在石英衬底上制备了ZMOF薄膜。350℃,0.001Pa条件下制备的ZMOF薄膜(3at%的F,10at%的Mg)具有最好的光电性能,电阻率最低为6.92×10-4Ωcm,在整个可见光区的透过率超过85%,且用湿法腐蚀方法制备了绒面ZMOF薄膜。  2.利用PLD技术在柔性衬底上制备了ZMOF薄膜,通过引入ZnO缓冲层,提高了薄膜晶体质量,消除了裂纹,电阻率从1.55Ωcm降低到1.70×10-2Ωcm,迁移率从0.573cm2V-1s-1升高到11.7cm2V-1s-1,大大提高了其电学性能。  3.利用磁控溅射仪器对以F掺杂ZnO(FZO)为代表的ZnO基薄膜进行了真空退火和H等离子体处理。处理后的FZO薄膜结晶质量更好,电学性能更优,尤其是迁移率实现了3-10倍的增长。我们通过第一性原理计算研究了H在FZO中的位置及能态,发现在ZnO晶格中靠近FO的间隙位的氢(Hi-FO)和处于氧空位中的氢(H-VO)都可以稳定存在,这是H处理后FZO透明导电薄膜高导电性、高热稳定性的原因。  4.利用PLD技术生长了一系列不同Mg含量的Ni1-xMgxO薄膜,且制备了可探测日盲区的光导型光电探测器。通过快速退火处理提高了薄膜晶体质量,降低了器件暗电流。为了探讨Mg的引入对ZnO/NiO异质结能带结构的影响,我们制备了不同Mg含量的ZnO/Ni1-xMgxO异质结,通过X射线光电子能谱方法研究了异质结的能带结构。研究发现,Mg含量越高,导带带阶和价带带阶偏移量均越大,导带带阶移动量更大。我们进一步开展了双边带隙可调节的Zn1-xMgxO/Ni1-yMgyO异质结的能带结构研究,发现含有相同Mg组分的ZnMgO和NiMgO,Mg对两者能带调节的作用幅度不同,在ZnMgO中的能带调节作用更为明显。因此,我们可以通过分别调节Zn1-xMgxO/Ni1-yMgyO异质结中的Mg含量,来改变双边的禁带宽度及价带顶、导带底的位置,进而设计出所需能带结构的异质结,灵活掌控其在光电器件中的应用。
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