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Co、Cu共掺杂ZnO薄膜的制备及性质研究

吴定才  
【摘要】: 氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ﹣Ⅵ族直接宽带隙半导体,室温下带隙为3.37eV,激子束缚能高达60meV,稳定的晶体结构是六角纤维锌矿结构,晶格常数a=0.3249nm,c=0.5206nm。ZnO具有优异的物理化学性质,特别是具有优良的光电,压电,气敏特性,在紫外探测器、磁存储器、半导体集成电路、半导体激光器、表面声波器件及太阳能电池等领域有重要的应用价值。随着科学技术的迅速发展,对蓝光和紫光等短波长发光材料的需求越来越迫切;而且TM掺杂ZnO稀磁半导体(diluted magnetic semiconductor,简记TMS)材料TC可以达到室温以上,为自旋电子器件的发展提供了光明的前景,因此对ZnO光、磁性能的进一步研究就显得更有意义。 本文采用溶胶-凝胶法(Sol-gel)制备Co、Cu单掺杂和(Co,Cu)共掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜。先用二水醋酸锌水解获得ZnO溶胶,再经过旋涂镀膜,在不同掺杂情形下制备ZnO薄膜,最后对样品微结构、光学特性及磁性行为进行了初步的探究和分析。研究内容如下: 首先,按Zn、Co、Cu的化学计量比,将适量的硝酸锌Zn(NO_3)_2·6H_2O、乙酸铜Cu(CH_3COO)_2·H_2O、乙酸钴四水Co(CH_3COO)_2·4H_2O配成混合物溶解在40mL无水酒精中并加入乙醇胺C_2H_7NO作为稳定剂在60℃水浴中进行磁力搅拌2.5h制备溶胶,并在室温下静放一段时间后,利用匀胶机(KW-4A型)旋涂在表面干净的基片上,并在150℃的烘烤炉中进行烘烤,持续时间为5min,然后自然冷却,重复旋涂七次;将表面附有凝胶的基片放入马福炉中,先将温度升到250℃处理10min,接着再升温到450℃退火处理2小时,得到表面光滑分布均匀的薄膜样品。 利用金相显微镜、原子力显微镜和X射线衍射技术对样品表面进行分析,金相显微镜照片和原子力显微镜照片显示该方法所制备的ZnO薄膜表面均匀致密,X射线衍射(XRD)研究揭示所有ZnO薄膜样品都存在(002)择优取向,在Cu单掺的ZnO薄膜中晶粒尺寸最大。对所有样品的室温光致发光测量都观察到较强的蓝光双峰发射和较弱的绿光发射,其中长波长的蓝光峰和绿光峰都能够通过掺杂进行控制;磁性测量表明,无论是单掺还是共掺的ZnO薄膜都具有室温铁磁性,且Co掺杂和共掺杂ZnO薄膜的磁性相近,而Cu单掺ZnO薄膜磁性稍弱一点。对不同掺杂源的ZnO薄膜发光性能及磁性进行了分析,认为蓝光峰来源于电子由导带底到锌空位能级的跃迁及锌填隙到价带顶的跃迁,绿光峰是由于掺杂造成的氧错位缺陷能级所致,(Co,Cu)掺杂ZnO薄膜的铁磁性起源可能与氧空位有关。 进而研究了Co掺杂浓度对Zn_(1-x)Co_xCu_(0.02)O薄膜发光性能的影响。通过金相显微镜观察了Co的掺杂量不同的条件下ZnO薄膜的形貌,发现颗粒的尺寸和数量随着Co掺杂浓度的增加而减少。微结构和荧光光谱测量表明,掺杂物离子都进入了ZnO晶格,而且样品都具有沿c轴择优取向。当Co掺杂量x=0.06时,样品的结晶性能最好。分析了Co掺杂对Zn_(1-x)Cu_(0.02)Co_xO薄膜中的氧空位、锌空位和锌填隙等缺陷浓度的影响,研究表明通过控制Co掺杂量可以控制Zn_(1-x)Cu_(0.02)Co_xO样品蓝光和绿光发射。


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