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《昆明理工大学》 2009年
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金属离子掺杂的ZnO第一性原理计算及透明导电薄膜制备研究

谭红琳  
【摘要】:ZnO是Ⅱ-Ⅵ族直接带隙的宽禁带化合物半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV。ZnO薄膜以其优良的压电性能、透明导电性能等使其在太阳能电池、压电器件、表面声波器件、气敏元件等诸多领域得到广泛应用,在紫外探测器、LED、LD等领域有着巨大的发展潜力。ZnO:Al薄膜具有与ITO薄膜相比拟的对可见光的高透过率和高电导,在氢等离子体的稳定性高,已成为替代ITO透明导电薄膜的研究热点,而且ZnO的P型掺杂也是近年来研究的另一个热点和难点问题。 本论文介绍了ZnO薄膜研究的国内外最新进展,并综述了ZnO薄膜的主要生长技术及原理。介绍了量子力学第一性原理的基本理论,特别对密度泛函数理论的计算方法进行了介绍以及对CASTEP软件的简介。 本论文对ZnO结构进行模拟计算,采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法,计算程序选用Materials Studio软件。对一价离子、二价离子、三价离子及稀土金属离子掺杂ZnO的几何结构、能带结构以及态密度进行了比较系统的研究。研究表明:掺Al3+的ZnO能带结构中出现施主能级,形成n型半导体,带隙变宽发生蓝移效应,不同的掺杂量使的带隙和杂质能级都有所变宽。掺入三价离子后, ZnO超晶胞体积发生膨胀,掺杂Ga3+和In3+的情况与掺Al3+时的情况相似, Al3+离子掺杂的ZnO导电能力强于其它三价金属离子(Ga3+、In3+)掺杂的ZnO。掺入三价副族Y3+后,对ZnO能带及态密度影响较大,可能是因为Y的离子半径太大引起的。掺Ag+导致ZnO的体积膨胀,Ag+代替Zn位时,出现了一个深受主能级(0.452eV);当Ag+间隙位时,Ag+是以施主杂质存在的,从而会造成对受主杂质的自补偿,单纯的Ag+掺杂较难获得P型ZnO材料。掺入Cu+替代Zn位时,出现了深受主能级(0.258eV),同时考虑到可能会进入间隙位,Ag+掺杂ZnO要比Cu+掺杂更难得到P型半导体。掺入Li+、Na+、K+一价主族金属离子,杂质能级为Li+(0.682eV)、Na+(0.513eV)、K+(0.078eV)受主能级,其中Li+、Na+离子的掺杂形成深受主能级,而K+离子形成浅受主能级,其系统稳定性差,不利于提高K固溶度,因而掺入ⅠA金属离子也较难获得P型半导体。ⅠB离子掺杂ZnO要优于ⅠA离子掺杂获得P型半导体。Ag-Al离子共掺杂表明随着Ag+掺杂量的增加,费米能级进入价带越深,能隙变窄,杂质能级变得更窄,这更有助于实现ZnO的P型转变。 对于掺入二价金属离子的掺杂体系进行了不同浓度的计算,结果表明,对于Cd2+随着掺杂浓度增加,带隙变窄,而对于Mn2+其结果相反。掺入Nb5+后,所得结果与理论相一致,即:掺入金属价态越高,引入的多余电子就越多,对其导电性能越有利。 总之,一、随着金属价态的升高,杂质能级的能隙减少将增加载流子浓度,从而提高ZnO导电性能;二、随着掺杂浓度的增加,能隙逐渐向掺杂离子的氧化物能级靠近;三、随着掺杂金属价态的升高杂质能级降低。 采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺,以乙醇和乙二醇甲醚为混合溶剂,醋酸锌为前驱体,乙醇胺为稳定剂反应制得溶胶,用浸渍提拉法和旋转涂敷法在普通石英玻璃基体上镀膜,经干燥、预热处理、退火,最后形成均匀、透明导电的多晶ZnO薄膜 运用X射线衍射谱(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、四探针、以及UVS等测量手段对样品的结构和光电特性进行了表征。结果表明:所制备ZnO:Al薄膜为六方纤锌矿结构,具有高度C轴择优取向,表面均匀、致密,薄膜由许多网状晶粒组成,薄膜可见光透过率平均可达80%,A13+掺杂量的增大导致光学能隙增大,电阻率在4.88×10-1~2.24×10-4Ω·cm范围内。ZnO:Li薄膜同样具有六方铅锌矿结构和C轴择优取向,电阻率要高于ZnO:Al薄膜,电阻率在90~1.53×10-1Ω·cm范围内。ZnO:Y薄膜同样具有六方铅锌矿结构,但掺杂使晶格发生畸变,掺入离子半径较大的离子很难进入间隙位,与理论计算相符。采用L9(34)正交实验对ZnO:Al薄膜的Al3+掺杂量、镀膜层数、预热处理温度、退火温度等工艺参数进行优化,通过分析得出镀膜15层,掺Al3+量2%atm,热处理温度250℃,退火温度600℃为最优组合。Ag-Al共掺杂掺杂量为3%,Ag:Al的摩尔比为10:1,预热温度为180℃,退火温度为550℃的条件下,制备的Ag-Al共掺杂ZnO薄膜的薄膜性能结构较好。 研究ZnO:Al薄膜表面形貌与导电性的关系,结果表明薄膜表面网状结构越密集,导电性越好。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN304.21;TB383.2

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 宋永梁,季振国,王泉香,向因,叶志镇;溶胶-凝胶提拉法制备ZnO薄膜及其性能研究[J];材料科学与工程学报;2004年01期
2 朱冬生,赵朝晖,吴会军,李军;溶胶-凝胶法制备纳米薄膜的研究进展[J];材料导报;2003年S1期
3 季振国,宋永梁,杨成兴,刘坤,王超,叶志镇;溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜及表征[J];半导体学报;2004年01期
4 苏宏波;戴江南;蒲勇;王立;李方;文卿;江风益;;生长温度对ZnO薄膜性能的影响[J];半导体学报;2006年07期
5 吕建国,叶志镇,张银珠,黄靖云,赵炳辉;固体源化学气相沉积生长c轴平行于衬底的ZnO薄膜(英文)[J];半导体学报;2003年01期
6 陈源,张德恒,马瑾,杨田林;不同有机衬底上沉积的ZnO ∶Al透明导电膜的研究[J];半导体杂志;1999年03期
7 王德宪;谈谈溶胶─凝胶浸镀法的基本原理[J];玻璃;1999年03期
8 张富春,邓周虎,阎军锋,王雪文,张志勇;Ga掺杂ZnO电子结构的密度泛函计算[J];功能材料;2005年08期
9 王芳,杨保和;适用SAW器件的高C轴取向ZnO薄膜制备及性能分析[J];光电子.激光;2005年01期
10 徐建梅,张德;溶胶—凝胶法的技术进展与应用现状[J];地质科技情报;1999年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 郭玉香,曲殿利,张芸,葛诗文;合成温度和原料粒度对钛酸铝性能的影响[J];鞍山科技大学学报;2004年02期
2 杨丽萍;刘锋; 韩焕鹏;;氧化锌材料的研究与进展[J];微纳电子技术;2007年02期
3 陈光华,蔡让岐,宋雪梅,贺德衍;多孔硅衬底微波CVD金刚石薄膜的制备及其场电子发射[J];半导体学报;2004年03期
4 沈伟东,刘旭,朱勇,邹桐,叶辉,顾培夫;用透过率测试曲线确定半导体薄膜的光学常数和厚度[J];半导体学报;2005年02期
5 王立,方文卿,蒲勇,郑畅达,戴江南,莫春兰,江风益;色散对GaN和ZnO的XRD摇摆曲线的影响[J];半导体学报;2005年05期
6 李瑛;冯士维;杨集;张跃宗;谢雪松;吕长志;卢毅成;;ZnO单晶薄膜光电响应特性[J];半导体学报;2006年01期
7 陈源,张德恒,马瑾,杨田林;不同有机衬底上沉积的ZnO ∶Al透明导电膜的研究[J];半导体杂志;1999年03期
8 刘彤,刘文珽;烧结温度对高韧性Al_2O_3陶瓷断裂韧性的影响[J];北京航空航天大学学报;2001年06期
9 王文文,刁训刚,王峥,王天民;直流磁控溅射ZnO:Al薄膜的光电和红外发射特性[J];北京航空航天大学学报;2005年02期
10 韩宝国,关新春,欧进萍;碳纤维水泥石电阻测试方法研究[J];玻璃钢/复合材料;2003年06期
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1 高桂波;钱春香;朱晨峰;王辉;丁士卫;;粉煤灰对混凝土热膨胀系数的影响[A];第五届混凝土结构耐久性科技论坛论文集[C];2006年
2 韩风龙;曲远方;李远亮;刘超;李小燕;;掺杂Na_2CO_3和Bi_2O_3对(Ba,Sr)TiO_3基陶瓷材料性能的影响[A];华北地区硅酸盐学会第八届学术技术交流会论文集[C];2005年
3 李珍;陈文;李飞;艾常涛;靳福江;;退火温度对ZnO薄膜结构及光学性能影响[A];中国硅酸盐学会特种玻璃分会第三届全国特种玻璃会议论文集[C];2007年
4 石丽芬;汤李缨;程金树;;KOH对离子交换硼硅酸盐玻璃性能的影响[A];2007中国浮法玻璃及玻璃新技术发展研讨会论文集[C];2007年
5 李桦;马晓光;李俊升;;相变材料的复合及其调温性能研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(8)[C];2007年
6 张志萍;刘红飞;程晓农;;近零膨胀ZrO_2-ZrW_2O_8复合材料的制备和表征[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(8)[C];2007年
7 宋桥台;杨苹;王锦标;鲁雄;黄楠;;钽掺杂金红石TiO_2电子结构的第一性原理研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(10)[C];2007年
8 章天金;顾豪爽;;外延ZnO压电薄膜的声表面波特性分析[A];湖北省物理学会、武汉物理学会成立70周年庆典暨2002年学术年会论文集[C];2002年
9 廖道达;陆德强;刘文燕;邱君苑;;金刚石锦上添花[A];2005年中国机械工程学会年会论文集第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
10 杨晓君;邢彦军;戴瑾瑾;;溶胶-凝胶法制备抗菌织物的研究[A];第六届全国印染后整理学术研讨会论文集[C];2005年
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1 刘朋军;若干气相含氮、硫、卤素的小分子自由基反应微观动力学的理论研究[D];东北师范大学;2004年
2 丁立健;真空中绝缘子沿面预闪络和闪络现象的研究[D];华北电力大学;2001年
3 高涛;激光二极管泵浦Cr~(4+):YAG被动调Q的Nd~(3+):YAG微片式激光器[D];电子科技大学;2001年
4 邓辉球;二元合金系表面聚集的计算机模拟研究[D];湖南大学;2001年
5 李书平;平均键能物理内涵与肖特基势垒和异质结带阶的研究[D];厦门大学;2001年
6 霍广生;钨冶炼过程中钨钼分离新工艺及其理论研究[D];中南大学;2001年
7 杜红林;稀土—铁金属间永磁化合物间隙原子效应的研究[D];中国原子能科学研究院;2001年
8 丁弘仁;国产贵金属烤瓷合金的研制[D];第四军医大学;2002年
9 邓云龙;涡轮LP-MOCVD研制GaInP/GaA1InP应变多量子阱高亮度发光二极管[D];华南师范大学;2002年
10 范志新;电子薄膜材料最佳掺杂含量的理论研究[D];河北工业大学;2002年
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1 张欣庄;异氰酸反应途径及动力学速率常数的计算研究[D];北京化工大学;2003年
2 张春野;有机凝胶—热分解法制备尖晶石型铁氧体纤维[D];江苏大学;2007年
3 刘恒;溶胶—凝胶法制备Ba_xSr_(1-x)TiO_3铁电陶瓷及掺杂改性研究[D];上海师范大学;2007年
4 王桂丽;Pt掺杂金红石相TiO_2与CdTe掺杂体系的第一性原理研究[D];河南大学;2008年
5 邓海东;PLD多层SPR生物传感器的制备与实验研究[D];江西师范大学;2005年
6 于新瑞;有机染料分子结构与光牢度间定量关系研究[D];大连理工大学;2000年
7 解菊;不饱和类烯构型异构化及加成反应的理论研究[D];山东师范大学;2000年
8 陈子达;低收缩溶胶——凝胶分步聚合法制备新型眼科材料的初步研究[D];暨南大学;2001年
9 王焕新;Ti镀层对金刚石力学性能的影响[D];燕山大学;2001年
10 杨俊刚;电流变颗粒相介电性能测试方法与微型高压电源制作[D];西北工业大学;2001年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 吕敏峰,崔作林,张志焜;氧化锌薄膜溶胶-凝胶分析[J];功能材料;2003年04期
2 金华峰,唐小东,韩波;溶胶-凝胶技术在化学领域中的新应用[J];安康师专学报;2001年01期
3 叶志镇,陈汉鸿,刘榕,张昊翔,赵炳辉;直流磁控溅射ZnO薄膜的结构和室温PL谱[J];半导体学报;2001年08期
4 杨成兴,季振国,刘坤,樊瑞新,叶志镇;雾化热解法制备ZnO薄膜及其光电性能[J];半导体学报;2002年10期
5 徐伟中,叶志镇,周婷,赵炳辉,朱丽萍,黄靖云;MOCVD法以NO气体为掺杂源生长p型ZnO薄膜[J];半导体学报;2005年01期
6 温战华,王立,方文卿,蒲勇,罗小平,郑畅达,戴江南,江风益;退火温度对ZnO薄膜结构和发光性能的影响[J];半导体学报;2005年03期
7 苏宏波;戴江南;蒲勇;王立;李方;文卿;江风益;;生长温度对ZnO薄膜性能的影响[J];半导体学报;2006年07期
8 邱成军,曹茂盛,朱静,杨慧静;纳米薄膜材料的研究进展[J];材料科学与工程;2001年04期
9 朱孝信;超微细粉末材料的发展[J];材料开发与应用;1998年05期
10 王玉平,李盛涛;化学合成法改进对ZnO压敏电阻片复合粉体的影响[J];电瓷避雷器;2004年06期
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1 巩锋;溶胶—凝胶法制备Al~(3+):ZnO薄膜及其性能研究[D];北京工业大学;2003年
2 夏志林;电子束蒸发制备AZO薄膜的光电性能研究[D];武汉理工大学;2004年
3 陈健;超声雾化热解法制备ZnO薄膜结构及其性能研究[D];北京工业大学;2004年
4 苏伟涛;射频溅射制备ZnO:Al透明导电薄膜及性能研究[D];中南大学;2004年
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1 万齐欣;熊志华;刘国栋;李冬梅;江风益;;ZnO本征缺陷的第一性原理计算[J];南昌大学学报(理科版);2008年06期
2 万齐欣;熊志华;饶建平;戴江南;乐淑萍;王古平;江风益;;Ag掺杂ZnO的第一性原理计算[J];半导体学报;2007年05期
3 郑勇平;陈志高;卢宇;吴青云;翁臻臻;黄志高;;Be掺杂对ZnO电子结构和光学性质的影响(英文)[J];半导体学报;2008年12期
4 江勇;;掺杂ZnO的第一性原理计算[J];科协论坛(下半月);2010年11期
5 张富春,邓周虎,阎军锋,允江妮,张志勇;Ga Al In掺杂ZnO电子结构的第一性原理计算[J];电子元件与材料;2005年08期
6 张富春;张志勇;张威虎;阎军峰;贠江妮;;AZO(ZnO:Al)电子结构与光学性质的第一性原理计算[J];光学学报;2009年04期
7 卓世异;刘学超;熊泽;陈之战;杨建华;施尔畏;;非磁性元素掺杂ZnO稀磁半导体研究进展[J];人工晶体学报;2011年04期
8 张磊;袁斌;梁二军;贾瑜;;钒氮和钒铝共掺杂ZnO电子结构的第一性原理计算[J];河南大学学报(自然科学版);2009年02期
9 曾宪庭,王豫,王士良,陈洗;Al掺杂对ZnO压敏材料性能影响的研究[J];传感器技术;1992年01期
10 娄向东,沈荷生,沈瑜生;ZnO/SnO_2双层膜的结构及敏感特性研究[J];传感技术学报;1995年02期
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1 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
2 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
3 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
4 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
5 吴尝;朱克荣;周广东;;ZnO纳米晶的拉曼光谱[A];第十五届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2009年
6 张铮;黄运华;李萍;廖庆亮;张跃;;基于ZnO纳米阵列的应力传感器构建及性能测试[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
7 周小芳;;准单晶ZnO薄膜的制备及其光学特性研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
8 朱瑞;许宏钧;孙杨慧;张敬民;陈莉;徐军;俞大鹏;;原位观察单根ZnO纳米线同质外延生长[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
9 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
10 郭冠军;罗莉;戴强钦;黄方映;姚丽丽;;多孔氧化铝模板制备ZnO及其发光性能的研究[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第一卷)[C];2011年
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1 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
2 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
3 张军民高鹏飞;纳米氧化锌在断奶子猪饲料中的应用[N];中国畜牧兽医报;2008年
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5 郑原驰 记者 李林岩;省科学技术进步奖揭晓[N];吉林日报;2008年
6 韩文;韩国使用高效光催化活性剂制造抗菌陶瓷[N];中国包装报;2009年
7 记者魏公铭;氧化锌纳米颗粒杀菌分子机理取得新进展[N];中国食品报;2011年
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1 汤琨;ZnO中的杂质行为与p型掺杂[D];南京大学;2011年
2 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
3 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
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 曲秀荣;β-FeSi2和ZnO及其复合陶瓷材料的制备与热电性能[D];哈尔滨工业大学;2010年
6 陈韬;ZnO薄膜的制备及其晶体管性能研究[D];复旦大学;2010年
7 胡懿;氧氩比和氢离子注入对ZnO薄膜微结构及光学性能的影响[D];武汉大学;2010年
8 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
9 杨通;P型ZnO薄膜的制备及其结构、光学和电学性质的研究[D];吉林大学;2011年
10 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
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1 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
2 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
3 谢炜;ZnO与TiO_2的光催化及其光电转换耦合性能的比较[D];武汉理工大学;2010年
4 姜清华;ZnO基稀磁半导体的X射线吸收谱学研究[D];中国科学技术大学;2010年
5 吕金鹏;Al~(3+)掺杂抗静电改性ZnO颜料制备及其质子辐照效应[D];哈尔滨工业大学;2010年
6 马金雪;ZnO超长微米线的制备及光学性质的研究[D];大连理工大学;2011年
7 孙开通;ZnO超长微米线制备及其在压电应力传感器方面的应用[D];大连理工大学;2010年
8 刘淑洁;水热法制备六方柱状ZnO微晶的形貌、结构与光催化性能[D];武汉理工大学;2011年
9 陈慧;ZnO薄膜和异质结构的光电性能研究[D];南京大学;2011年
10 尉静;ZnO薄膜和纳米晶须的制备及性能研究[D];山东师范大学;2010年
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