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溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜的特性研究

张宁  
【摘要】:氧化锌(ZnO)是直接带隙宽禁带半导体材料,具有较高的激子束缚能(~60meV),可以实现室温下的紫外受激辐射,在紫外发射器件等领域具有广阔的应用前景。同时薄膜形态的氧化锌具有压电、湿敏、透明导电、光泵浦紫外激射等特性,所以具有广泛的用途,因此也吸引了国内外大批专家学者对它的性质进行了更为广泛的研究与探索。同时也反映了“结构决定性质,性质决定用途”的必然规律。 实验选择二水合乙酸锌(Zn(CH_3COO)_2·2H_2O)作为前驱体,乙二醇甲醚(2-methoxyethanol)作为溶剂,乙醇胺(monoethanolamin)作为稳定剂。将一定量的二水合乙酸锌溶解于乙二醇甲醚中,再加入与二水合乙酸锌等摩尔的乙醇胺。溶液经过两个小时的充分搅拌以后,形成锌离子浓度为0.75mol/L的透明均质溶胶。本实验所用试剂均为分析纯。 采用旋转涂覆技术在n-Si(100)衬底上制备ZnO薄膜,每次匀胶结束都要放在150℃烘箱里面对样品进行烘干,同时为了制备较厚一点的薄膜,重复匀胶五次,使得薄膜厚度达到200~250nm.为了获得高质量、C轴择优取向生长的ZnO薄膜,对样品进行了退火处理。通过改变退火条件提出优化参数。首先退火要在含氧气氛下进行,只有Zn和O的化学配比达到1:1时结晶质量才能得到提高。其次是控制退火时间,退火时间以2小时为佳,时间过长反而会导致结晶取向性再次变差。最后讨论了一下退火温度对晶体结晶质量的影响,提高退火温度有助于重结晶,且最佳退火温度在500℃左右。 通过ZnO胶体及其薄膜的光致发光机理探究,亦得到一些有益的结论。ZnO胶体的光致发光光谱表明:随着胶体老化时间的延长,胶体的紫外峰位发生了蓝移,紫外区域的线宽变宽,而可见光区的线宽则变窄。ZnO薄膜的光致发光光谱表明:ZnO薄膜在退火后紫外发光强度较强,而可见光区的发光强度相对较弱。 利用扫描电子显微镜观测了样品的表面形貌和侧面形貌。ZnO薄膜的表面非常致密而均匀,侧面可以看到大小分布均匀的ZnO纳米颗粒包埋于薄膜之中,且与XRD计算结果相吻合。


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