多功能ZnO薄膜的制备与性能研究

【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。