氧化鋅納米結(jié)構(gòu)薄膜的微結(jié)構(gòu)及光電特性調(diào)控.pdf

1、氧化鋅(ZnO)具有優(yōu)異的光電性能，在紫外藍光光電子器件、透明電子器件、自旋電子器件和壓電及熱電傳感器等領域有著重要的研究價值，目前已成為學術界研究的一個焦點。雖然對氧化鋅的研究已經(jīng)有了相當長的歷史，但ZnO材料的一些光學電學性能及其調(diào)控機理并未完全清楚，這些問題包括p型ZnO問題、ZnO的施主受主缺陷的辨認問題、ZnO在可見光區(qū)的發(fā)光中心問題及ZnO分級結(jié)構(gòu)的可控制備問題等等。尋找這些問題的答案對于增強、擴展ZnO材料在器件上的應用以

2、及器件功能的實用化來說至關重要。鑒于此，本論文主要在以下幾個方面做了一些工作:
　?。ㄒ唬┎捎么趴貫R射法制備了Mo摻雜的氧化鋅(MZO)薄膜，研究了不同的摻雜量對ZnO薄膜的微結(jié)構(gòu)、電學、光學及發(fā)光性能的影響，研究了退火對薄膜導電性能、發(fā)光性能的影響。結(jié)果表明，MZO薄膜為多晶顆粒膜，摻鉬影響薄膜的表面粗糙度;退火后薄膜的多晶顆粒尺寸變大數(shù)倍。MZO薄膜均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且沿c軸擇優(yōu)生長。MZO薄膜的平均晶粒尺寸及薄膜內(nèi)的應力均

3、呈現(xiàn)隨Mo摻雜量的增大而先增大后減小的趨勢，MZO:2％薄膜具有最大的平均晶粒尺寸和內(nèi)應力。退火可以使MZO薄膜的晶粒尺寸明顯增大，同時使薄膜中的應力釋放。XPS結(jié)果顯示Mo在ZnO薄膜中呈+6價，顯示Mo6+原子在濺射過程中其自身的化合態(tài)保持不變。MZO:2％薄膜的Zn2p3/2結(jié)合能峰中出現(xiàn)位于1022.0eV的子峰（對應于Zni），說明適量Mo摻雜可以促進Zni原子的生成。Mo摻雜對薄膜的光學透過率和光學帶隙影響不大。MZO薄膜的

4、電阻率隨Mo摻雜量的增大呈先減小后增大的趨勢，說明適量Mo摻雜可以降低MZO薄膜的電阻率。這應該歸因于少量的鉬摻雜刺激了Zni缺陷或Zni-X復合缺陷的生成，使薄膜中的Zni缺陷濃度增大，從而使載流子濃度增大。退火導致薄膜的電阻率急劇增大。這應該是由于薄膜中Zni缺陷濃度的降低和薄膜表面的氧吸附這兩方面的原因?qū)е碌?。未退火的MZO薄膜的光致發(fā)光譜中存在一個極弱的位于380nm處的ZnO本征發(fā)光峰和一個稍強的藍光發(fā)光峰。退火使薄膜的光致發(fā)

5、光強度快速增強，這應該是由于退火導致薄膜晶粒尺寸增大所導致的。退火還導致位于380和412nm位置處的發(fā)光峰逐漸被增強的位于400nm處的發(fā)光峰所掩蓋，在525nm位置處也逐漸出現(xiàn)另一個新生成的綠光發(fā)光峰。在800℃下退火1小時后，MZO薄膜光致發(fā)光譜的發(fā)光峰位置基本一致，但MZO薄膜的發(fā)光強度幾乎是未摻雜ZnO薄膜的發(fā)光強度的近10倍，說明在退火過程中MZO薄膜更容易生成發(fā)光缺陷（VZn和OZn缺陷）。
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6、制備了摻鋁、摻鑭和摻釔的ZnO納米結(jié)構(gòu)薄膜，并研究了每種樣品的微結(jié)構(gòu)、光學特性及低溫發(fā)光特性。結(jié)果表明，摻鋁氧化鋅(AZO)納米結(jié)構(gòu)薄膜由六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO納米錐構(gòu)成，摻鋁對薄膜的表面形貌和光學透過率沒有明顯影響。薄膜的光致發(fā)光譜存在兩個比較寬的發(fā)光峰，P1峰和P2峰。隨著摻雜量的增大，P1峰的絕對光強度及其對P2峰的相對光強度都迅速增大，并在摻雜濃度達到10％時達到最大值。在10-297K溫度下的低溫光致發(fā)光譜顯示，P1峰受溫度變

7、化產(chǎn)生的改變不明顯，但P2峰的發(fā)光強度隨溫度的升高呈現(xiàn)快速的淬滅。這種溫度淬滅應該是由于當溫度升高時，發(fā)光中心的晶格弛豫增強，無輻射躍遷幾率增大，從而使發(fā)光效率降低所導致的。對于摻鑭氧化鋅(LZO)納米結(jié)構(gòu)薄膜，隨著鑭摻雜量的增大，ZnO納米錐的平均直徑和薄膜的(002)衍射峰的強度均增大。在紫光到綠光范圍內(nèi)，LZO薄膜的透過率比AZO薄膜的明顯低很多。LZO薄膜在室溫下紫外發(fā)光很弱，而在500-800nm內(nèi)的可見光發(fā)光很強。隨著鑭摻雜

8、量的增大，可見光區(qū)發(fā)光峰的強度也在逐漸增大，當摻雜濃度達到8％時，樣品發(fā)光峰的強度是未摻雜ZnO薄膜的2.5倍左右。紫外發(fā)光峰強度隨著摻雜量的增大沒有明顯變化。LZO薄膜的可見光區(qū)發(fā)光也呈現(xiàn)與AZO薄膜類似的溫度淬滅現(xiàn)象，同時其紫外發(fā)光峰的峰位在升溫過程中有紅移現(xiàn)象，這種峰位的移動應該是由于溫度升高時晶格常數(shù)增大所導致的。摻釔氧化鋅(YZO)薄膜的微結(jié)構(gòu)及光學透過率對不同釔摻雜量的變化情況與LZO薄膜的類似。室溫下YZO薄膜在500-8

9、00nm范圍內(nèi)有較強的光致發(fā)光，但釔摻雜對發(fā)光譜的強度和峰位無明顯影響，這一特點與AZO、YZO薄膜均不同。
　?。ㄈ┎捎没瘜W浴沉積法在ZnO薄膜表面沉積了不同尺寸和密度的CdS量子點，研究了CdS-ZnO納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的微結(jié)構(gòu)、光學、光催化特性，具體結(jié)果如下。在ZnO表面，CdS量子點的尺寸和密度隨著化學浴沉積次數(shù)的增大而越來越大;沉積4次得到的CdS-ZnO-4Ts樣品表面的CdS量子點粒徑均勻，分布較密。CdS量子點修飾

10、導致薄膜吸收系數(shù)增大很多。CdS量子點修飾對ZnO發(fā)光的影響不明顯。CdS-ZnO-4Ts薄膜在120分鐘內(nèi)對甲基橙溶液的降解率可達到96％，而純的ZnO薄膜在120分鐘的時間內(nèi)只降解了35％的甲基橙，說明CdS量子點修飾可以明顯增強ZnO薄膜的光催化效果。
　?。ㄋ模┎捎秒姵练e法和陽極氧化法制備了ZnO納米結(jié)構(gòu)，具體結(jié)果如下。采用電沉積法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對電解液較為敏感的變化，當溶劑中的乙醇和水的比例為1∶3時，為簡單納