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《武汉大学》 2010年
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氧氩比和氢离子注入对ZnO薄膜微结构及光学性能的影响

胡懿  
【摘要】: ZnO作为第三代半导体,具有宽禁带宽度(3.4eV)、高激子束缚能(60meV)等优异特性,可作为新一代蓝光和紫外发光材料。然而,由于ZnO天然存在本征缺陷和氢杂质一般呈n型导电,制备高质量的p-ZnO比较困难。认识ZnO薄膜的性能与生长条件(氧氩比)之间的关系,采用先进掺杂技术引入不同氢离子浓度,将有助于研究这些缺陷对ZnO薄膜微结构和光学性能的影响。本论文采用射频溅射法制备ZnO薄膜,利用慢正电子束可灵敏探测空位型缺陷的优点,配合薄膜材料微结构、光学表征方法,深入系统研究ZnO薄膜生长过程中不同氧氩比参数和离子注入引入氢前后样品内的缺陷或缺陷复合体的变化,对于了解ZnO薄膜的本征缺陷,制备高稳定性、高质量的ZnO薄膜具有重要意义。主要内容和创新成果如下: 1、氧氩比对ZnO薄膜的微结构及光学性能的影响。室温下采用射频溅射方法,调整氧氩比R为0.05至1.0之间,在玻璃衬底上制备了纤锌矿(002)择优取向的ZnO薄膜。薄膜的微结构性能由X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和慢正电子束技术(VEPAS)表征。XRD谱表明ZnO薄膜是多晶的六角结构并具有垂直于衬底的c轴择优取向性。薄膜的厚度,晶粒尺寸,结晶质量很大程度上取决于R;当R减小时可生长出晶粒更大和厚度更厚的ZnO薄膜。正电子束多普勒展宽测量表明在低R薄膜中可能有Zn相关空位复合体或团簇形成。光致发光(PL)谱表明R=0.4的薄膜有最好的发光效率,与最优c轴取向性的结果一致,实验中未观察到发光谱与ZnO薄膜中的锌空位浓度直接关联。由于厚度效应,薄膜的透过率曲线随着R的减小而减小。 2、氢离子注入对ZnO薄膜的微结构及光学性能的影响。室温下采用射频溅射方法,调整氧氩比R为0.4,衬底温度为320。C左右,在玻璃衬底上制备了ZnO薄膜。离子注入利用能量为90keV、剂量为1×1015和1×1016H/cm2的H离子进行注入。薄膜的微结构和光学性能分别由XRD, SEM, VEPAS,红外吸收(IR)光谱,PL和光学透射谱表征。实验结果表明,无论是未注氢还是氢离子注入的ZnO薄膜都表现出了相似的红外吸收光谱,说明生长样品的薄膜本身含有H,并形成了O-H键;H离子注入后在ZnO薄膜中形成更多表面O-H键和H-I复合体,导致IR峰强度的明显增加。VEPAS实验表明,H离子注入后多普勒展宽S参数明显增加,我们认为H离子注入在ZnO薄膜中形成Vzn与O-H键相关的缺陷复合体,这些缺陷复合体作为正电子捕获中心,导致S参数的增加。XRD, SEM和PL谱实验表明,H离子注入后,导致大量氢相关缺陷的形成,PL发光峰强度的降低,结晶质量变差。H离子注入可在ZnO薄膜中形成作为浅施主的Vzn-OH键缺陷复合体,增加ZnO薄膜的n型导电性和光学透过率。 此外,本论文另一部分工作为利用第一性原理的赝势计算方法研究了单壁碳纳米管-多孔沸石晶体复合体系的结构、电子、光学特性。计算结果表明由0.4nnm碳纳米管和AlPO4-5沸石晶体模板(AFI)构成的复合体系,在局域密度近似(LDA)的框架下存在碳管和AFI之间的相互作用,不能把AFI简单看成惰性模板,它的存在对碳纳米管的物理性质有实际影响。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O484.1

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