Ga-Al共掺ZnO薄膜结构和光学性能的研究

发布时间：2020-07-28 15:16

【摘要】：氧化锌,是Ⅱ-VI族的重要成员,具有较宽的带隙(3.37 eV)和较大的激子束缚能(60 meV),在各种技术领域均有重要的作用,例如:平板显示器方面、太阳能电池、紫外探测器、短波长的发光材料等。各种方法已被用来制备ZnO薄膜,如分子束外延法(MBE)、磁控溅射法、化学气相沉积法、喷雾热解法、溶胶—凝胶法等。在这些技术中,由于其诸多优点,溶胶—凝胶法受到高度关注,例如低成本、沉积过程简单,易于控制,较低的加工温度,大面积薄膜的简易制造等。本文选择了溶胶—凝胶旋涂法在玻璃和Si衬底上制备了本征ZnO薄膜、Ga掺杂ZnO薄膜和Ga-Al共掺杂ZnO薄膜,探究了不同制备工艺条件和掺杂量对薄膜结晶性能、表面形貌、光透过性能和光致发光性能的影响。通过对溶胶量和预处理温度的探究,先确定了最佳的ZnO薄膜的制备条件:溶胶量为0.4mol/L,预处理温度为120℃,退火温度为500℃,旋涂6层。研究了Ga掺杂量对ZnO薄膜的影响,Ga的掺入并未改变ZnO的六方纤锌矿结构。少量Ga的掺入会使薄膜的晶粒沿c轴择优生长,晶粒尺寸变小,薄膜表面更加光滑平整。但是当Ga的掺杂量过多时,薄膜晶粒的生长反而受到抑制,表面开始出现团簇现象,XRD的(002)衍射峰强度也逐渐降低。通过透过率的测试可以分析出,当Ga的掺杂量为3at%时,薄膜可见光区域透过率最高,达到85%左右,此时薄膜的禁带宽度最大,为3.88eV。考察了不同Al掺杂量对Ga-Al共掺ZnO薄膜的影响,发现一定量的Al离子的掺入,会使薄膜的结晶性能和光学性能更加优异。通过XRD的分析,当Ga掺杂量为3.0at%、Al掺杂量为2.0at%时,薄膜(100)衍射峰最强。结合SEM的表征结果可以看出,适当Al离子的掺入可以使薄膜晶粒沿水平方向生长,薄膜表面的晶粒空隙减少,表面平整光滑,提高了薄膜的结晶质量。薄膜的光学性能通过透过率和光致发光谱来进行考察,测试发现:随着Al掺杂量的增加,薄膜透过率呈先增加后减小的趋势,薄膜近紫外发光峰强度先增强后减弱,整体有轻微的蓝移现象,可见光区域的发光带整体减弱。当Al的掺杂量为2.0at%时,薄膜在可见光区域的平均透过率最高(为92%),禁带宽度最大(约为3.95eV),并且此时薄膜的近带边发射峰最强,缺陷发光峰最弱。
【学位授予单位】：辽宁师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304.055
【图文】：

过程图,过程,掺杂量,方案

图 2.1 溶胶的制备过程Fig. 2.1 The preparation of the sol杂 ZnO 薄膜的溶胶的配置采取两种方案。方案 A: Ga 掺杂 ZnO 薄膜中，别为：1.0 at%、2.0 at%、3.0 at%、4.0 at%、5.0 at%；方案 B：Ga-Al 共，Ga 掺杂量为 3.0 at%保持不变，Al 掺杂量分别为：0.5 at%、1.0 at%、

XRD图谱,本征,晶粒结构,标准卡

射强度的衍射峰。通过与 XRD-JCPDS 卡进行对比，就可以测量出样品的晶粒结构，从而对样品进行物相分析、定性分析和定量分析。图2.2为溶胶凝胶法制备本征ZnO薄膜的XRD图谱[45]。将图谱与标准卡对比，可以发现常见的本征ZnO的七个峰，分别为：(100)，(002)，(100)，(102)，(110)，(103)

曲线,透射光谱,薄膜

图 2.3 ZnO 薄膜的透射光谱Fig.2.3 UV-VIS transmission spectra of the ZnO film图 2.3 为 ZnO 薄膜的透射光谱，从图中我们可以看出该 ZnO 薄膜在可见光区域的透过率大概在 83%左右，达到了作为窗口材料的薄膜的标准。通过紫外-可见分光光度计还可以测量出样品的吸收系数，并通过薄膜测厚仪测得薄膜的厚度，再根据 Tauc 关系式：( h )2=A( h -Eg) (2.3)其中是材料的光学吸收系数，A 是常数，为入射光的能量，Eg 为薄膜的光学带隙。根据薄膜的透过光谱和直接带隙公式做出( h )2— 曲线，可以估算出薄膜的禁带宽度 Eg。2.3.3 薄膜光致发光性能的表征光致发光(PL)是指薄膜经过外界光源的照射

【相似文献】