溶胶-凝胶旋涂法制备In掺杂ZnO薄膜结构和光学性能的研究

发布时间：2022-01-16 15:03

　　采用溶胶-凝胶（sol-gel）旋涂法在常规玻璃衬底上生长了In掺杂浓度分别为1 at%、2 at%、3 at%、4 at%、5 at%的ZnO薄膜。借助X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对样品的晶粒生长、结构以及光学性能进行表征。结果如下:所制备的薄膜均沿（002）方向择优生长,且随着In³⁺掺杂浓度增加,衍射峰的峰型及半高宽均呈先降低后升高的趋势;In³⁺掺入后,ZnO薄膜晶粒由原来的六边形状发展成类似蠕虫状,同时粒径变小且大小不一;与本征样品相比,掺杂后的ZnO光透过率提高了10%,且吸收边向短波长方向偏移,同时随着In³⁺的掺入,薄膜的光学带隙值从3.49 eV增加到3.80 eV。当In³⁺掺杂浓度为4 at%时,薄膜（002）峰的峰形最为尖锐、峰值最大,晶粒较为均匀、晶格间距更小,光透过率最高,光学带隙值相对较大为3.77 eV。 

【文章来源】：光电子·激光. 2020,31(08)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

本征ZnO薄膜和IZO薄膜样品的XRD图谱

由表1可以看出,In3+的掺入导致了ZnO薄膜(002)晶面间距增大。根据XRD分析,这是由于掺杂元素In3+与Zn2+的离子半径存在差异导致的,当In3+以替位的方式替换Zn2+掺入到ZnO晶格中后,造成了ZnO薄膜轻微的晶格畸变,晶面的间距因此增加,2θ角也向小角度方向发生偏移,并且上述现象也进一步证实了In3+是以替位的方式替换Zn2+掺入到ZnO晶格中的。此外,在In掺杂浓度增加的过程中,(002)衍射峰的半高宽呈现出先降低后升高的趋势,而薄膜的平均晶粒尺寸变化则是先增大后减小,如图2所示。当In掺杂浓度较低时,In的掺入使薄膜的内应力增加导致薄膜的位错密度增大;当In的掺杂浓度为4.0at%时,薄膜的位错密度最小且薄膜的微应变也最小,表明适当浓度的In掺杂可以改善薄膜的内部结构特性[18,19]。3.2 薄膜表面形貌分析

图4是未掺杂和不同In掺杂浓度ZnO薄膜在紫外光区和可见光区的透射光谱图,由图可以观察到,In掺杂样品B1-B5在可见光区的透过率十分接近,达到90%以上,相比于未掺杂样品A1透射率(80%)明显增强。由此证明,In的掺杂可以增强薄膜的透过率。根据上文SEM分析,In掺入后使得ZnO薄膜的晶粒结合更为致密,因此减少散射,增加了光透过率。通过对比观察A1与B1-B5样品的吸收边,IZO薄膜均出现了吸收边蓝移的现象,这一现象表明了IZO薄膜的禁带宽度发生了变化。图5为本征ZnO薄膜和IZO薄膜的(αhγ)2～hυ关系曲线,通过使用薄膜测厚仪分别测量A1和B1-B5样品的厚度,并根据带隙宽度的计算方法,绘制而成。对图5中曲线采取切线法作图,分别求得本征ZnO薄膜和IZO薄膜样品的禁带宽度,如表2。

【参考文献】：
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本文编号：3592896