收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

ZnO薄膜的表面形貌与应力特性研究

刘云燕  
【摘要】:ZnO是宽禁带直接带隙半导体材料,禁带宽度达3.37eV,ZnO的激子束缚能为60MeV,高于GaN材料的21MeV,更易于实现室温紫外受激发射。而且,ZnO易于找到晶格匹配的衬底材料,外延生长温度低,成膜性强,热稳定和化学稳定性好,因此,ZnO材料的研究是近年来光电子材料领域的重要课题。尽管存在p型ZnO制备的困难,但是,ZnO材料及相关器件的研究仍然备受关注。目前,ZnO材料的研究主要集中在,氧化锌晶体、薄膜生长与器件制备,氧化锌的掺杂和杂质缺陷研究,磁性氧化锌材料及其自旋电子学,氧化锌纳米(低维)结构等方向。薄膜的制备条件决定了薄膜的性能,制备条件包括沉积方法、衬底、生长温度、生长气氛以及生长缓冲层等等。 薄膜表面生长形貌以及薄膜应力与具体的薄膜生长过程存在了必然的联系,直接影响薄膜的化学组成、微观结构、缺陷状态等,进而影响着薄膜的物理特性和最终的器件性能。随机表面的粗糙形貌是决定物体物理特性的重要因素之一。要研究薄膜的表面形貌,首先要对薄膜表面进行定量表征和描述。材料的表面形貌演化是与表面动力演化机制相关的,研究材料表面形貌的演变可以外推表面动力演化机制。无论实际的生长过程多么复杂,表面形貌的演变,通常存在着简单的动力学标度行为,通过对薄膜形貌演化的标度行为的研究,可大大减少界面形貌描述的自由度,能够把生长界面的形貌和对应的生长模型联系起来,对生长机制有更深入的理解。应力是与薄膜性能密切相关的重要参数,磁控溅射或激光沉积制备的ZnO薄膜中存在着较大的晶格畸变和残余张应力影响了ZnO薄膜的结构、性能以及稳定性,ZnO薄膜生长参数是决定其应力的关键因素。 在这样的背景下,本论文开展ZnO薄膜的形貌和应力这一课题进行研究。 本论文分为三部分。第一部分采用脉冲激光沉积制备Ga掺杂的ZnO薄膜,研究薄膜表面形貌随时间的演化特点。第二部分采用磁控溅射制备ZnO薄膜,研究柔性衬底上ZnO薄膜的结构和应力特性。第三部分采用激光分子束外延制备Co掺杂ZnO薄膜,研究薄膜的结构、应力以及表面形貌。 第一部分的主要研究工作及结果如下: 使用激光脉冲沉积法在石英衬底上制备了ZnO:Ga透明导电薄膜,由于薄膜的生长是远离平衡态的生长,该GZO薄膜具备自仿射分形特征,可以用高度-高度相关函数进行描述。利用原子力显微镜可以获得表面图像的高度数据,通过对表面的高度数据进行数值相关运算,定量的分析了PLD工艺条件下不同生长时间制备的GZO薄膜的生长界面特征,求出了描述粗糙表面的高度-高度相关函数的三个重要参量w,ξ和α。发现所制备的GZO薄膜表面演化分成两个阶段,在比较早期的生长阶段(t8分钟),薄膜表面形貌受到表面随机起伏、沉积原子平滑效应以及衬底性能的影响等,方均根粗糙度w( t)和横向相关长度ξ(t)随时间增加而减小。而在后期的生长阶段(t8分钟), w( t)和ξ(t)随时间增加而增加,表面形貌演化出现自仿射分形特征。通过对w( t)-t曲线拟合,获得生长指数β为0.3,所有时间生长的GZO薄膜的表面粗糙度指数α在0.84左右,符合Kuromoto-Sivashinsky生长模型。 我们还研究了薄膜的电阻率和透过率与薄膜表面粗糙度和厚度的关系。发现,在早期的生长阶段(t8分钟),薄膜的电阻率主要受薄膜厚度变化的影响,但是,在后期的生长中,薄膜表面形貌对薄膜电阻率的影响比较明显。而且,薄膜的透过率也受到薄膜表面形貌的影响。我们认为,在我们的制备条件下,获得的比较理想的薄膜是生长时间为10分钟的薄膜,膜厚200nm,电阻率为4.85×10-4 ?·cm ,平均透过率为85%。 第二部分的主要研究工作及结果如下: 1.在不同的衬底温度下,用射频磁控溅射技术在柔性聚四氟乙烯衬底上生长了ZnO薄膜,研究了衬底温度对薄膜中应力以及光致发光光谱(PL)的影响。X射线衍射研究发现,薄膜晶体的质量随着衬底温度的提高而增加。在200oC相对较高的温度下,具有较好的C轴择优取向,薄膜中应力和缺陷都比较少,生长的薄膜的质量比较高,导致PL谱的优化。 2. Ar气压强对于ZnO薄膜的结构应力和PL光谱都有一定的影响,所有的样品都是(002)择优生长的多晶薄膜结构。在Ar压强为4Pa时,薄膜中具有较好的C轴取向性,晶粒尺寸最大。随压强增加,ZnO薄膜中的应力经历了由小变大再变小的变化。当Ar压强到达4Pa时,PL谱中IUV/Ivisible比值最大,这也是在4Pa时薄膜质量有所提高的依据。尽管在0.5Pa和1.5Pa时制备的薄膜中应力很小,但是C轴择优取向比较差,薄膜晶体结构质量比较低,薄膜中存在的缺陷密度比较大。 3.同质缓冲层的引入,对于在聚四氟乙烯衬底上制备的ZnO薄膜质量有较大的改善。生长缓冲层以后,晶粒尺寸有了比较大的增加,而经过退火的缓冲层上生长的ZnO薄膜的晶粒尺寸进一步增大。应力计算数据表明,在不加热的情况下引入缓冲层可以减少应力,但是经过退火后的缓冲层上生长的ZnO薄膜中存在较大的应力,与不采用缓冲层时的应力差不多。缓冲层退火后生长的ZnO薄膜的光学特性比较好。在没有缓冲层的衬底上制备的薄膜的光学特性比较差。 4.研究了不同溅射时间、不同溅射功率情况下,聚四氟乙烯衬底上制备的ZnO薄膜中的应力。我们发现,射频溅射功率的增大,对于减少薄膜中的应力是可能的。薄膜中的应力是和晶粒的大小有关的。尽管在80W较低的生长功率,生长时间为2小时的薄膜中得到具有较好C轴取向的薄膜,但是在这样的薄膜中应力也是最强的。综合考虑薄膜的结构和应力因素,我们认为,生长功率为200W,生长时间为1小时的薄膜比较理想。在我们制备的薄膜中,当薄膜的结构弛豫滞后于生长速度时,较大的晶粒尺寸会导致压应力的减少以及压应力向拉应力的转化。 第三部分的主要研究工作及结果如下: 1.蓝宝石衬底上制备了ZnO:Co薄膜,随着生长温度从300oC变化到500oC,薄膜(002)衍射峰的半高宽FWHM经历了先增加然后减小到最小值,然后又增加的过程,晶粒尺寸也经历了先减小后增加到最大值然后又减小的过程,在400oC时颗粒尺寸最大。LMBE方法生长的ZnO:Co薄膜大部分情况下表现为拉应力,只是在生长温度为350oC时,出现了非常小的压应力。蓝宝石衬底上制备的ZnO:Co薄膜表面粗糙度指数α随着生长温度增加先是有所增加,然后又降低。方均根粗糙度w在温度从300oC升高到400oC时,逐渐增大,温度增加到450oC,粗糙度有所减小,到500oC时,w值又有所增加。随着温度升高,从300oC升高到450oC的过程中,薄膜表面的横向相关长度持续减小,说明颗粒减小,在500oC时,ξ又略有增加。 2.玻璃衬底上制备的ZnO:Co薄膜(002)衍射峰的半高宽FWHM经历了先增加然后减小,然后又增加的过程。玻璃衬底上500oC时薄膜半高宽减小到最小值。在衬底温度比较低(350 oC)时,薄膜中的压应力较大。当温度升高到400 oC,薄膜中存在的压应力迅速降低,说明随着温度的升高,薄膜中的力学特性有很大的改善。薄膜的表面粗糙度指数α随着温度变化,变化不是很明显,但是,方均根粗糙度w渐渐增加,玻璃衬底上制备的薄膜的横向相关长度ξ,随着温度的升高,逐渐增加,在400oC以后,基本不再发生变化。 3.硅衬底上制备的ZnO:Co薄膜的(002)衍射峰的半高宽FWHM经历了先增加然后减小到最小值,然后又增加的过程。400oC时具有沿C轴单一取向的纯的六角结构。硅衬底上制备的ZnO:Co薄膜在生长温度高于400 oC以上时,薄膜中的应力比低温下要改善许多。硅衬底上生长的薄膜的表面粗糙度指数α随着温度变化,变化比较明显,方均根粗糙度w随着温度升高逐渐增大,当温度继续升高到500oC时,方均根粗糙度有所降低,硅衬底上制备的薄膜的横向相关长度ξ变化不是很明显。 我们认为,硅衬底和玻璃衬底上制备的ZnO薄膜,其应力和表面形貌随温度的变化规律是很相近的,与蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜随温度变化的特性存在很大的差异。这说明了衬底在薄膜制备中,从薄膜特性的各个方面对薄膜造成非常重要的影响。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张萌;王应民;徐鹏;蔡莉;李禾;程国安;刘庭芝;;用锌有机源和CO_2/H_2混合气源PECVD沉积ZnO薄膜[J];光学学报;2006年04期
2 谭天亚;陈俊杰;江雪;;纳米微晶结构氧化锌中激子发光的研究进展[J];激光与光电子学进展;2008年09期
3 许小亮,施朝淑;纳米微晶结构ZnO及其紫外激光[J];物理学进展;2000年04期
4 周晓红,赵秀琴;氧化锌光催化降解六种可溶性染料的研究[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2003年02期
5 宋洋,阎研,邢英杰,俞大鹏,张树霖;ZnO纳米管的拉曼光谱学研究[J];光散射学报;2004年02期
6 林秀珠;李静;吴启辉;;气相输运法制备ZnO薄膜(英文)[J];发光学报;2010年02期
7 徐彭寿,徐彭寿,孙玉明,施朝淑,徐法强,潘海斌,施朝淑;ZnO及其缺陷电子结构对光谱特性的影响[J];红外与毫米波学报;2002年S1期
8 蒋向东,张怀武,黄祥成;透明导电半导体ZnO膜的研究[J];应用光学;2002年02期
9 戴宪起;闫慧娟;王建利;;Cu对O在ZnO(0001)面上吸附影响的第一原理研究[J];河南师范大学学报(自然科学版);2006年04期
10 郭宝增;用全带Monte Carlo方法模拟纤锌矿相GaN和ZnO材料的电子输运特性[J];物理学报;2002年10期
11 阎研,屈田,王建朝,张树霖,郝少康,X.BZHang,袁方利,黄淑荣;CdSe和ZnO量子点的拉曼光谱研究[J];光散射学报;2003年02期
12 李春萍;郭林;王广胜;吕玉珍;徐惠彬;;ZnO纳米棒的拉曼和发光光谱研究(英文)[J];光散射学报;2006年01期
13 刘文静 ,樊惠玲 ,李春虎 ,郭汉贤;CO对ZnO脱硫行为的影响[J];太原科技;2001年06期
14 颜建锋,梁红伟,吕有明,刘益春,李炳辉,申德振,张吉英,范希武;利用P-MBE在Si(111)衬底上生长氧化锌薄膜及其光学性质的研究[J];红外与毫米波学报;2004年02期
15 刘亚明;戴宪起;姚树文;侯振雨;;ZnO(10■0)非极性表面的第一原理研究(英文)[J];郑州大学学报(理学版);2008年02期
16 吴尝;朱克荣;马永青;;固相法制备ZnO纳米晶的变温拉曼光谱[J];阜阳师范学院学报(自然科学版);2011年02期
17 姚然;朱俊杰;钟声;朱拉拉;傅竹西;;RF预处理对ZnO/Si生长的影响[J];人工晶体学报;2006年01期
18 郭常新,傅竹西,施朝淑;阴极射线激发下ZnO薄膜室温紫外发光的超线性增长规律[J];发光学报;1998年03期
19 王志军,王之建,李守春,李玉琴,元金山;固相热分解法合成非晶ZnO及其表征[J];发光学报;2003年05期
20 陶俊超;孙艳;葛美英;陈鑫;戴宁;;介孔ZnO微球的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用(英文)[J];红外与毫米波学报;2010年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周红;隋成华;陈乃波;许晓军;魏高尧;蔡萍根;;在蓝宝石光纤端面上生长ZnO薄膜的方法及光学性能分析[A];光子科技创新与产业化——长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C];2006年
2 战可涛;曾凡强;;铝镧共掺ZnO透明导电薄膜的微观结构和光电性能研究[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
3 万正芬;徐天宁;吴惠桢;原子健;邱东江;;ZnO薄膜光致发光的表面等离子体增强效应[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集(上册)[C];2009年
4 江浩;顾锋;李春忠;;水含量对溶剂热合成ZnO微结构的影响[A];中国颗粒学会第六届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集(上)[C];2008年
5 沈伟;彭德全;沈晓丹;;先进无机材料表面的金属化—ZnO薄膜技术[A];全国第六届SMT/SMD学术研讨会论文集[C];2001年
6 苏雪琼;王丽;陈江博;万晓婧;;脉冲激光沉积制备ZnO掺Co薄膜和宽带能隙分析[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
7 夏晓川;赵龙;史志峰;;采用MOCVD方法在GaAs/p+Si衬底上生长的ZnO薄膜光学和电学特性[A];第十一届全国MOCVD学术会议论文集[C];2010年
8 沈伟;彭德全;沈晓丹;;先进无机材料表面的金属化——ZnO薄膜技术[A];2001年全国电子电镀年会论文集[C];2001年
9 张运炎;范广涵;;MOCVD在ZnO材料生长方面的应用及最新研究进展[A];第十一届全国MOCVD学术会议论文集[C];2010年
10 王齐;周大成;邱建备;;稀土掺杂ZnO材料的发光特性研究进展[A];战略性新兴产业的培育和发展——首届云南省科协学术年会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘云燕;ZnO薄膜的表面形貌与应力特性研究[D];山东师范大学;2011年
2 李永峰;ZnO薄膜及其光电子器件中的晶格失配与应力问题研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2010年
3 彭丽萍;In掺杂ZnO薄膜的制备与特性研究[D];重庆大学;2010年
4 隋瑛锐;共掺杂p型ZnO和富氮Zr-N薄膜的制备、性能及表征[D];吉林大学;2010年
5 陈韬;ZnO薄膜的制备及其晶体管性能研究[D];复旦大学;2010年
6 汤琨;ZnO中的杂质行为与p型掺杂[D];南京大学;2011年
7 张晓;ZnO基宽禁带稀磁半导体材料的制备及性能研究[D];南开大学;2010年
8 刘洋;过渡元素掺杂ZnO稀磁半导体的制备及性质研究[D];江苏大学;2011年
9 高世勇;ZnO薄膜和纳米结构的制备及其特性研究[D];吉林大学;2010年
10 汪嘉恒;ZnO低维材料的液相化学法制备、掺杂及生长机制研究[D];东北大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱绍平;Sb掺杂ZnO薄膜的制备及光学性能研究[D];重庆师范大学;2010年
2 马向丽;ZnO薄膜及其光电器件的室温制备及性能研究[D];浙江大学;2011年
3 曲盛薇;Cu和Ag掺杂ZnO薄膜的结构与光学性能[D];大连理工大学;2010年
4 陈慧;ZnO薄膜和异质结构的光电性能研究[D];南京大学;2011年
5 王兰芳;宽禁带半导体材料—ZnO、TiO_2和金刚石的制备及发光性能研究[D];天津理工大学;2010年
6 朱文君;ZnO纳米棒状结构制备及其光电器件研究[D];吉林大学;2010年
7 霍庆松;溅射法制备ZnO薄膜及其表面统计特性[D];山东建筑大学;2011年
8 范晓玲;磁控溅射法制备ZnO薄膜及光电导探测器的研制[D];山东理工大学;2010年
9 郑展;Na掺杂p型ZnO:Na_x薄膜的制备与性能研究[D];浙江大学;2011年
10 锁雅芹;Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构及光学性质研究[D];兰州大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者刘其丕 李晓飞;天津薄膜光学重点实验室成立[N];中国有色金属报;2010年
2 石德;采光量可调门窗[N];中国房地产报;2004年
3 陶敦普;1年:从一千万到一亿[N];东莞日报;2011年
4 记者 潘静;尽快开工建设 早见成效[N];蚌埠日报;2009年
5 周超 杜兆晶;宾县14个项目列入省市重点[N];哈尔滨日报;2010年
6 本报记者 梁红兵;关注超高亮度LED产业化[N];中国电子报;2002年
7 本报记者 李宏乾;纳米涂料:大力发展 谨慎宣传[N];中国化工报;2002年
8 本报记者 梁红兵;衬底技术进步快 集成创新成LED产业发展重点[N];中国电子报;2009年
9 本报记者 梁红兵;科锐高效高价之路能走多远[N];中国电子报;2010年
10 本报记者 王星;山西馆:重现人类第一缕火光[N];文汇报;2010年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978