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《兰州大学》 2007年
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多功能ZnO薄膜的制备与性能研究

张军  
【摘要】: 氧化锌(ZnO)是一种新型宽禁带直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,室温下的禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV,比同为宽禁带半导体的ZnSe(22meV),ZnS(40 meV)和GaN(25 meV)都高很多。这些特性使ZnO在室温下可以产生很强的光致激子紫外发射,有利于研制高效率发光二极管(LED)、紫外探测器、蓝紫光LED和LD等短波长光电器件。同时,ZnO的能带结构与TiO_2相似,在紫外光照射下,ZnO薄膜可以产生电子-空穴对,在薄膜表面形成强的氧化-还原体系,对空气或水溶液中的有机物源进行氧化降解。故ZnO可以作为一种很有前途的光催化材料。此外,在太阳能电池工艺中,ZnO薄膜也有很好的应用前景:在ZnO薄膜中进行Ⅲ族(Al、Ga、In)元素掺杂,可以使其在可见光区的光透过率增强(高达90%),且具有良好的导电性,这些优点使ZnO材料可作为太阳能电池窗口材料。针对ZnO薄膜材料在以上不同领域中的应用前景,本论文开展了相应的研究工作。利用氧化法制备纳米ZnO薄膜的光催化研究,溅射法制备Al掺杂的ZnO透明导电薄膜,原位热氧化氮化锌(Zn_3N_2)工艺制备p型ZnO薄膜,并研究了制备工艺、掺杂以及结构对其性能的影响。 为了有效提高薄膜的孔隙率并增强其光催化性能,本论文利用两步氧化法制备了ZnO薄膜。即先在纯氧气氛中低于金属锌(Zn)熔点的温度下对制备的Zn膜进行初步氧化,然后再提高氧化温度进行二次氧化。通过降解苯酚实验分析表明,两步氧化法制备的样品的光催化性能优于一般氧化法得到的样品。本研究工作为性能良好且成本低廉的ZnO光催化剂的制备找到了一条很好的途径。 对于ZnO基透明导电膜在太阳能电池中的应用,本工作以金属Zn和铝(Al)为靶材,采用射频(RF)反应共溅射技术在低温(200℃)玻璃衬底上沉积了铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)薄膜。对制备样品的形貌结构、组成成分和光学电学特性进行了分析表征。结果表明,我们成功制备了定向(002)生长的六角纤锌矿结构的ZnO:Al薄膜,其可见光透过率达85%,电阻率在10~(-1)~10~3Ω·cm之间。该薄膜的性能基本符合光电器件,特别是薄膜太阳电池窗口层的应用要求,并易于规模化工业生产。 制备导电性良好的p型ZnO薄膜是发展ZnO基光电器件的重要因素。本论文采用射频磁控溅射法在不同衬底温度和不同气氛下制备了Zn_3N_2薄膜,然后在低压氧气氛下进行原位热氧化制备N掺杂的ZnO薄膜。利用各种表征方法分别对Zn_3N_2薄膜和ZnO薄膜进行了分析。结果表明,衬底温度为200℃时制备的Zn_3N_2薄膜,在500℃下氧化2小时可以得到电阻率为0.7Ω·cm,空穴浓度为10~(17)cm~(-3),空穴迁移率为0.9cm~2/V·s的具有c轴择优取向的p型ZnO薄膜。获得的p型ZnO薄膜还具有良好的光学特性,紫外可见光范围内透过率为85%,处于紫外区域的激子复合产生的发光峰很强。以上可见,原位氧化工艺制备的p型ZnO薄膜质量较好,重复性好。通过进一步改进工艺,有望制备出性能稳定、载流子浓度高的低阻p型ZnO薄膜。 考虑到新一代半导体材料与Si基半导体产业的兼容性,本工作还对优良的衬底材料碳化硅(SiC)进行了初步研究。利用射频磁控溅射法在石英衬底上制备了纳米SiC薄膜,薄膜表面由尺寸为50~90nm的SiC纳米颗粒组成。 总之,本论文所涉及的研究工作极大地丰富了不同领域ZnO材料的制备途径,将为ZnO材料的产业化起到重要的推动作用。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304.055

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