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《山东师范大学》 2010年
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ZnO薄膜和纳米晶须的制备及性能研究

尉静  
【摘要】: 21世纪的技术要求器件小型化甚至小至纳米尺寸,而其最终的性能要显著增强。这一要求带动了纳米材料的快速发展。纳米材料独特的性质和优异的性能由其尺寸、表面结构及粒子间的相互作用决定。在众多的纳米材料中,ZnO作为一种直接宽禁带(3.37 eV)半导体材料而备受关注。ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物,具有低介电常数、高化学稳定性等许多优点,在透明导电薄膜、气体传感器和声表面波器件等方面有着广泛用途。本论文以ZnO薄膜和纳米四脚状晶须(T—ZnOw)为研究对象,对其进行制备、表征和分析。 在利用脉冲激光沉积系统(PLD)制备ZnO薄膜时,溅射成本较低的金属锌靶,成功的实现了低温生长高质量ZnO薄膜的目的。T—ZnOw的制备是通过两步来完成的:第一步是在PLD系统中沉积参与T—ZnOw生长的锌薄膜和氧化锌薄膜;第二步是在扩散炉中蒸发锌粉生长T—ZnOw。从实验角度上来看,PLD沉积系统能够使锌薄膜和氧化锌薄膜均匀生长,且保持原子级的清洁,这为理论上研究锌薄膜和氧化锌薄膜在T—ZnOw生长中的作用提供了有利的前提。主要内容如下: 1、详细介绍ZnO薄膜和T—ZnOw的性质及应用。系统总结了利用XRD衍射峰计算晶粒尺寸和残余应力的理论方法,并对制备的ZnO薄膜的晶粒度及残余应力进行计算和分析。纳米晶须的生长机制一直是纳米材料领域的难点,我们结合实验结果,对其进行了系统的讨论。 2、研究溅射金属锌靶沉积ZnO薄膜时,衬底温度对ZnO薄膜质量的影响。对在不同温度下沉积的ZnO薄膜进行了XRD、TEM、FTIR测试。测试结果表明衬底温度在300℃的时候,晶粒尺寸最大,薄膜内部残余应力最小,薄膜结晶质量最好,形成结晶取向一致的单晶薄膜,并对影响薄膜结晶质量的因素进行讨论。ZnO薄膜的Zn-O键伸缩振动特征吸收的峰位置依赖于薄膜的晶粒尺寸。大的晶粒尺寸会导致傅里叶红外吸收峰发生蓝移,反之发生红移。 3、研究锌薄膜和氧化锌薄膜对T—ZnOw的形貌及结晶的重要影响。研究有锌薄膜和氧化锌薄膜参与生长的T—ZnOw,同时与在蓝宝石衬底上直接生长的T—ZnOw进行对比。实验结果通过XRD、SEM、TEM、HRTEM测试发现,锌薄膜和氧化锌薄膜对T—ZnOw的形貌和结晶有重要影响。有金属锌薄膜参与的产品结构尺寸均匀一致,产量较高,呈现六棱柱状的脚,结晶质量很好;有氧化锌薄膜参与的产品结构尺寸均匀一致,产量较高,结晶质量较好,呈现锥形的脚;对于没有锌薄膜和氧化锌薄膜而直接生长的T—ZnOw,结构尺寸不均匀,结晶质量也不好。通过分析,发现锌薄膜和氧化锌薄膜会导致T—ZnOw按照不同的生长机制生长,所以我们得到结构、结晶质量差异很大的氧化锌纳米四脚晶须。 4、通过增加锌粉的质量来提高生长气氛中的气相饱和度,研究锌蒸气饱和度对T—ZnOw的重要影响。对生成物进行了SEM、TEM、XRD测试发现,高的气相过饱和度增加了晶须侧面捕捉气相原子的几率,导致T—ZnOw的侧面生长,所以得到叶片状脚的空间四脚结构。 5、对有金属锌薄膜参与生成的T—ZnOw进行光致发光测试,研究其光学性质。T—ZnOw光致发光谱主要有两个峰组成:以394 nm为中心的紫外发光峰(UV)和以518 nm为中心的绿光发射峰。紫外吸收相对于块体材料有一个比较明显的红移。文章讨论了紫外峰红移以及绿光发射峰出现的原因。
【学位授予单位】:山东师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.2;TB383.1

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