Sn-ZnO宽带半导体材料制备及光电性质研究
发布时间：2021-03-25 03:06
十九世纪以来,有关拓展新能源的探索从未停止,社会有一种具有较高价值的功能性材料称为透明导电薄膜（Transparent Conductive Film）,简写TCO。由于它具有较好的光学透明性能与导电性能,应用在光探测器、显示器屏幕、紫外探测器等各种光电器件方面。那么研究数量最多且拥有性能优异等特点是半导体氧化物导电薄膜,其中具有代表性如In2O3、ITO、SnO2和ZnO基等。近年来,研究与讨论发现本征ZnO薄膜在社会中拥有极大地影响力,并深度延伸探索金属元素掺杂ZnO薄膜的光电性能等方面的改善,广泛应用在太阳能电池和传感器等更多领域方面。本文通过磁控溅射方法在石英衬底上生长锡复合氧化锌（Sn-ZnO,简写:TZO）薄膜材料。理论上选取Sn元素作为掺杂对象的原因有:Sn4+取代Zn2+位置后释放两个自由电子,这样的优势可以提高其导电性更利于电学器件的应用;Sn4+离子半径比Zn2+小且相对接近(rZn2+=0.074nm,rSn4+=0.071nm),这样掺杂后晶格间距变化较小不影响择优生长。那么在理论的基础上采用改变实验参量进行薄膜研究,...
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZnO六方纤锌矿结构
秩毕莅吹檬У缱忧榭龇殖桑菏┲魅毕莘直鹞?蹩?位Vo、锌间隙Zni、锌反位Zno；受主缺陷分别为锌空位VZn、氧间隙Oi、氧反位OZn[5-7]。这些本证缺陷态决定ZnO具备独特的磁学、光学、电学和气体传感等性能。本征缺陷也可分成n型与p型半导体：氧空位（Vo）在n型中占缺陷的主导地位，由于氧空位（Vo）形成能相对其他缺陷低得多，同时薄膜制备比较容易得到；施主型缺陷（Zni，Vo和Zno）在P型中很容易形成，其中形成能很低且自补偿效应很强[8]。但是p型半导体薄膜不稳定从而不易制备得到，所以大多数实验得到的都是n型半导体薄膜。图1-2ZnO的本征缺陷能级图Figure1-2IntrinsicdefectleveldiagramofZnO（2）SnO2的基本性质SnO2的基本物理参数如表1-2[9]。自然界中，锡（Sn）金属常温下是灰绿色粉末，Sn属于IV-VI族n型半导体，它有两种化合价态：Sn2+与Sn4+，其离子半径依次分别为0.093nm和0.071nm，其中Sn4+离子更容易与O2-结合形成二氧化锡（SnO2），简称为氧化锡。常温常压下，氧化锡[10]结构分成三大类：四方（Tetragonal）、六方（Cubic）和正交（Orthorhombic）三种，其中最常见的晶体结构是出四方晶系的正方金红石体结构（Tetragonalrutile）[9],与本文XRD所得结果一致。金红石结构晶格参数为a=b=0.4737nm,c=0.3186nm,O2=0.140nm,如图1-3所示晶胞结构由Sn(rSn4+=0.071nm)和O(rO2-=0.140nm)两种原子组成，其内部结构由4个氧原子和2个锡原子构成，如图1-3所示。图中显示SnO2(001)晶面平行于c轴择优生长，SnO2(110)晶面平行c轴生长。
哈尔滨师范大学硕士学位论文4注：黄色和绿色的球分别代表O和Sn原子图1-3SnO2四方金红石结构Note:YellowandgreenballsrepresentOandSnatomsFigure1-3SnO2Tetragonalrutilestructure研究SnO2半导体过程中，发现SnO2多数处于多晶薄膜结构并直接影响到能级结构，在晶体界面中O2-的丢失将促使Sn4+转化为Sn2+，并合成SnO逸出到薄膜表面形成表面态缺陷，同时SnO的形成也将使SnO2能带发生改变。晶体中的缺陷的影响程度取决于相对应缺陷的形成能量与几率，SnO2晶胞缺陷[11]主要包括氧空位Vo、锡间隙子Sni、氧间隙Oi、锡空位VSn，其中由于氧空位Vo、锡间隙Sni的缺陷数量远大于氧间隙Oi、锡空位VSn的缺陷数量,形成能恰好与缺陷数量相反，在导电性方面主要来源于氧空位Vo缺陷。表1-2SnO2、ZnO材料的基本物理性质和参数[1][9]Table1-2BasicphysicalpropertiesandparametersofZnOmaterials金属氧化物ZnOSnO2晶格常量a()3.254.737晶格常量c()5.23.186室温带隙宽度(eV)~3.373.5~4.0激子束缚能(meV)60130电子亲合能(eV)4.34.5功函数(eV)5.24.9本征载流子浓度(cm3)<1061015-1018载流子迁移率(cm2V-1S-1)5-505-30
本文编号：3098902
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZnO六方纤锌矿结构
秩毕莅吹檬У缱忧榭龇殖桑菏┲魅毕莘直鹞?蹩?位Vo、锌间隙Zni、锌反位Zno；受主缺陷分别为锌空位VZn、氧间隙Oi、氧反位OZn[5-7]。这些本证缺陷态决定ZnO具备独特的磁学、光学、电学和气体传感等性能。本征缺陷也可分成n型与p型半导体：氧空位（Vo）在n型中占缺陷的主导地位，由于氧空位（Vo）形成能相对其他缺陷低得多，同时薄膜制备比较容易得到；施主型缺陷（Zni，Vo和Zno）在P型中很容易形成，其中形成能很低且自补偿效应很强[8]。但是p型半导体薄膜不稳定从而不易制备得到，所以大多数实验得到的都是n型半导体薄膜。图1-2ZnO的本征缺陷能级图Figure1-2IntrinsicdefectleveldiagramofZnO（2）SnO2的基本性质SnO2的基本物理参数如表1-2[9]。自然界中，锡（Sn）金属常温下是灰绿色粉末，Sn属于IV-VI族n型半导体，它有两种化合价态：Sn2+与Sn4+，其离子半径依次分别为0.093nm和0.071nm，其中Sn4+离子更容易与O2-结合形成二氧化锡（SnO2），简称为氧化锡。常温常压下，氧化锡[10]结构分成三大类：四方（Tetragonal）、六方（Cubic）和正交（Orthorhombic）三种，其中最常见的晶体结构是出四方晶系的正方金红石体结构（Tetragonalrutile）[9],与本文XRD所得结果一致。金红石结构晶格参数为a=b=0.4737nm,c=0.3186nm,O2=0.140nm,如图1-3所示晶胞结构由Sn(rSn4+=0.071nm)和O(rO2-=0.140nm)两种原子组成，其内部结构由4个氧原子和2个锡原子构成，如图1-3所示。图中显示SnO2(001)晶面平行于c轴择优生长，SnO2(110)晶面平行c轴生长。
哈尔滨师范大学硕士学位论文4注：黄色和绿色的球分别代表O和Sn原子图1-3SnO2四方金红石结构Note:YellowandgreenballsrepresentOandSnatomsFigure1-3SnO2Tetragonalrutilestructure研究SnO2半导体过程中，发现SnO2多数处于多晶薄膜结构并直接影响到能级结构，在晶体界面中O2-的丢失将促使Sn4+转化为Sn2+，并合成SnO逸出到薄膜表面形成表面态缺陷，同时SnO的形成也将使SnO2能带发生改变。晶体中的缺陷的影响程度取决于相对应缺陷的形成能量与几率，SnO2晶胞缺陷[11]主要包括氧空位Vo、锡间隙子Sni、氧间隙Oi、锡空位VSn，其中由于氧空位Vo、锡间隙Sni的缺陷数量远大于氧间隙Oi、锡空位VSn的缺陷数量,形成能恰好与缺陷数量相反，在导电性方面主要来源于氧空位Vo缺陷。表1-2SnO2、ZnO材料的基本物理性质和参数[1][9]Table1-2BasicphysicalpropertiesandparametersofZnOmaterials金属氧化物ZnOSnO2晶格常量a()3.254.737晶格常量c()5.23.186室温带隙宽度(eV)~3.373.5~4.0激子束缚能(meV)60130电子亲合能(eV)4.34.5功函数(eV)5.24.9本征载流子浓度(cm3)<1061015-1018载流子迁移率(cm2V-1S-1)5-505-30
本文编号：3098902
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