Mg掺杂ZnO薄膜的制备及条件优化

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ZnO是第三代宽禁带半导体的杰出代表,室温下的禁带宽度为3.37 eV,具有很高的激子束缚能60 meV,发光波长范围覆盖了从紫外到红外的整个区域,透光率可高达90%。同时,制备ZnO薄膜的原料来源丰富且价格低廉,生长温度相对较低,成膜的质量高,这些都使得ZnO在未来的光电领域中是一种优先考虑的材料。然而,要实现ZnO在光电领域的广泛应用,关键是通过掺杂的方式获得高质量的ZnO薄膜,并以此为基础制备性能优良的器件。Mg2+具有离子半径与Zn2+半径相近,Mg-O键能强,MgO中Vo形成能高等优势。但是,关于Mg掺杂ZnO薄膜(MZO)的研究较少,并且制备方法主要集中在物理法。但是,这些方法存在设备昂贵、成本高、操作复杂、对真空度要求高等诸多不足。因此,基于以上研究现状,本文使用溶胶凝胶法和化学浴沉积法(CBD法)相结合的手段制备了 MZO薄膜,并使用XRD、SEM、EDS、EPMA和AFM等表征手段,对水浴时间、水浴温度、pH值、种子层和溶液体系等实验参数对MZO薄膜的生长进行了研究。主要研究内容和结果如下:在典型CBD法的实验条件下,水浴温度为90℃,水浴时间为4 h时,MZO薄膜具有较优的结晶性;化学浴前驱液的pH值在7左右时,可以保持MZO薄膜的非极性,且结晶性较优;当种子层加入中Mg2+,可以促进MZO薄膜在化学浴沉积的过程中沿着非极性方向生长。在优化Mg源的实验条件下,在柠檬酸浓度为0.50 mM,Mg2+的掺杂量为3%时,MZO薄膜中Mg2+的质量百分比和原子百分比分别为0.70wt%和0.96 at%,表明Mg2+成功掺入。当实验条件分别是二甲基亚砜为1 mL,Mg2+的掺杂量为1%;二甘醇与化学浴前驱液的体积比为1:51,水浴温度为100℃和水浴时间为4h;柠檬酸浓度为0.05mM、0.15 mM和0.50 mM,Mg2+掺杂量为1%时,MZO薄膜的结晶性都达到该实验参数下的最优。当镁盐为六水硝酸镁,且Mg2+的掺杂量为1%时,MZO薄膜的结晶性较优,且粗糙度得到优化。
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