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Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构及光学性质研究

锁雅芹  
【摘要】: ZnO是一种具有六方纤锌矿结构的Ⅱ-Ⅵ族自激活的宽禁带半导体材料,是P6 mm点群对称的六角晶系纤锌矿晶体。室温下,其带隙宽度为3.37eV,激子束缚能高达60m eV。ZnO晶体在与c轴垂直的面上具有对称的弹性和电学性质,而在c轴方向择优取向的多晶薄膜具有单晶体似的光电性和压电性质。ZnO薄膜以其优良的压电性能、透明导电性能等使其在诸多领域得到广泛应用,如太阳能电池、压电器件、表面声波器件、气敏元件。并且凭借其优良的紫外发光特性使其在紫外探测器、LED、LD等领域有着巨大的发展潜力。另外ZnO的P型掺杂也是近年来研究的另一个热点和难点问题。人们往往通过掺杂来提高氧化锌在发光管、紫外光探测器、表面声波器件、压敏电阻器件等方面的应用。近年来,Ohtomo A等人发现通过Mg掺杂可调控ZnO的能带结构,随着Mg含量的改变,能隙宽度可由3.37 eV增加到3.87 eV。另外,掺入Ⅰ族元素可实现ZnO的转型。 本论文中,在对ZnO晶体结构、ZnO薄膜的光电和压电特性、多层薄膜外延生长缓冲层和集成光学上的应用等有了一定认识后,综合各种ZnO薄膜制备技术的优缺点,选取了溶胶-凝胶(sol-gel)方法,以甲醇为溶剂,醋酸锌(Zn(CH3COO)2.2H2O)、氯化镁(MgCl2.6H2O)、氯化钠(NaCl)为初始原料,二乙醇胺为稳定剂反应制得溶胶,用旋转涂膜法在普通石英玻璃基体上镀膜,经干燥、预热处理、退火,最后成功地制备了具有c轴择优取向的均匀、透明的多晶Na-Mg共掺的ZnO薄膜。通过XRD、SEM、PL以及透射光谱的分析,其结果表明:Na-Mg共掺有利于ZnO薄膜的C轴择优取向生长,并且随着Na+掺杂浓度的增加,晶粒尺寸先增大后减小;通过比较不同掺杂浓度ZnO薄膜的PL谱,推测发光中心位于380nm的紫外发射与ZnO的自由激子复合有关,发现掺入Mg的确能使ZnO禁带宽度增大;Na-Mg共掺ZnO薄膜胶系中,薄膜Na0.02Mg0.2Zn0.78O具有比较优异的结晶和光学性能,Nao.04Mgo.2Zno.76O薄膜PL谱只有一个强度很大的紫光发射,其近带边紫外光发射发光强度较未掺杂的ZnO增强了近10倍,极大地提高了薄膜紫外发光性能;总结最佳工艺条件为退火温度560℃、旋涂层数为5层。


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