氧化锌超细颗粒及氧化锌薄膜的光电性能研究

发布时间：2017-12-06 22:03

  本文关键词：氧化锌超细颗粒及氧化锌薄膜的光电性能研究

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【摘要】：ZnO的禁带宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV,是新一代直接宽带隙半导体材料,并具有十分优异的光电性能。ZnO原材料丰富,成本低廉,将其应用于发光器件将大大降低制备器件的成本。本文研究了氧化锌超细颗粒及氧化锌薄膜的微结构及其光电性能。采用XRD、SEM等手段表征了具有不同晶粒尺寸的ZnO颗粒的微结构,通过测试其PL和EPR谱研究其光电性能。采用固相反应法制备了ZnOZnMgO和NiO陶瓷靶材,研究制备工艺对靶材致密度和收缩率的影响；用磁控溅射法制备了ZnO薄膜,以XRD、SEM等手段表征其微观结构,用紫外-可见光分光光度计测试薄膜的光学透过率及其吸收值,计算了ZnO薄膜可见光平均透过率和光学带隙,探讨了ZnO薄膜制备过程中溅射功率、衬底温度、膜厚对薄膜微结构和光学性能的影响。采用磁控溅射法制备了n-ZnO/p-Si、n-ZnO/p-NiO等异质结,用半导体电阻及霍尔系数测试系统测试其电学性能。得到以下主要实验结果：(1)SEM结果显示,纳米氧化锌颗粒经不同温度下加热,随着加热温度的升高,由于晶粒聚合,导致晶粒尺寸迅速增大。晶粒尺寸对氧化锌颗粒的光谱特性有较大的影响,随着加热温度的升高,晶粒尺寸增大,氧化锌颗粒的紫外光(UV)与可见光(VS)辐射强度的比值减小,这可归因于界面缺陷减少。(2)EPR结果表明,未进行加热处理的纳米氧化锌在g=1.957处存在一个单一的共振峰,这是由浅施主Znj引起的。当氧化锌颗粒的加热温度超过1000℃时,在g=2.146处的共振峰信号迅速增强,这可能是由于晶粒聚合后,界面减少,样品受氧的影响增强。(3)在ZnO晶粒中存在几种促进半导体材料导电和发光的缺陷中心,如替位原子、锌空位、氧空位及间隙原子等。(4)ZnO靶材在烧结过程中,大部分水分在220℃时挥发,而有机物(PVA)则在640℃发生反应并分解排出,且当温度达到1225℃时ZnO靶材发生组织间的溶解,有液相产生。ZnO靶材在烧结过程中于1225℃处保温一段时间,晶粒紧密排列在一起,且气孔变小,并在晶粒之间的空隙处发现有玻璃相存在,这在很大程度上降低了靶材的孔隙率从而提高其致密度。(5)当衬底温度为300℃时,用磁控溅射法制备的ZnO薄膜的结晶性能较好,温度过高或过低都会使薄膜的结晶质量变差；溅射功率为150 W时,ZnO薄膜的结晶性能较好,功率过高或过低都会使薄膜的结晶质量变差；而薄膜厚度对结晶性影响不大。不同溅射工艺所制备的ZnO薄膜的透过率高于86%。(6)不同衬底温度下生长的ZnO薄膜的光学带隙Eg在3.24～3.27 eV范围内,且当衬底温度为300℃时较大,过高或过低的温度都会使Eg减小；不同的溅射功率下ZnO薄膜的光学带隙的变化范围为3.22～3.28 eV,当功率为150W时较大,过高或过低的功率都会使Eg减小；不同膜厚的ZnO薄膜的光学带隙无明显的变化规律。光学带隙的变化可能是由于晶格缺陷引起的。(7)ZnO薄膜在Si基片上沿C轴择优生长,但晶格失配较大,薄膜结晶质量不好,在ZnO薄膜与Si基片之间引入一层SiO2薄膜之后,ZnO薄膜的晶粒尺寸变大,结晶质量得到提高。p-Si/n-ZnO和p-Si/SiO2/n-ZnO异质结都反映出了比较好整流特性,相比而言p-Si/SiO2/n-ZnO异质结的开启电压较小,整流比要大。SiO2薄膜层的引入在一定程度上改善了异质结的整流特性。(8) p-NiO/n-ZnO异质结的整流效应并不明显,引入一层MgZnO电子阻挡层后,开启电压减小,在0.5 V左右,整流比提高,器件的整流特性得到改善,并可观察到器件微弱的发光现象。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.21;O484.4

【参考文献】

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1 高睿超;彭志坚;符秀丽;;Fe_2O_3掺杂对TiO_2-Ta_2O_5基压敏陶瓷显微结构和电性能的影响[J];稀有金属材料与工程;2015年S1期

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本文编号：1260093