铒或硼掺杂ZnO薄膜的制备及其缺陷、光电性能的研究

发布时间：2017-10-10 08:03

  本文关键词：铒或硼掺杂ZnO薄膜的制备及其缺陷、光电性能的研究

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【摘要】：ZnO是直接宽禁带半导体,具有3.37eV的禁带宽度和60 meV的自由激子束缚能,有望实现高效激子发光,且其资源丰富、制作成本低、无毒、具有很好的热稳定性和化学稳定性,可能成为新一代发光材料,因此,近年来引发了国内外的研究热潮并取得许多研究成果。但是,目前仍有一些基础问题需要解决,如:如何获得性能稳定和高质量的p型ZnO薄膜;杂质的掺入对缺陷的影响规律等。为此,本文选择Er、B两种元素掺杂情况下,掺杂浓度影响ZnO薄膜的缺陷和光电性能的规律进行研究,论文选题具有重要的实际意义和应用价值。本文利用溶胶-凝胶法和磁控溅射法分别制备了Er掺杂ZnO(EZO)和B掺杂ZnO(BZO)薄膜,结合X射线衍射、原子力显微镜、扫描电镜、紫外-可见光分光光度计、光电子能谱、光致发光、霍尔等现代检测技术和第一性原理计算,针对Er、B掺杂对ZnO结构、形貌、光电性能、应力及本征缺陷的影响开展了一系列的研究工作,得出以下结论:1.用溶胶凝胶法制备了Er掺杂浓度为0~10 at.%的EZO薄膜,发现:薄膜的结晶质量总体较好,Er原子成功掺入ZnO中,薄膜厚度约300 nm左右;随着Er掺杂浓度的升高,EZO薄膜平均晶粒尺寸减小、结晶质量变差,折射率和消光系数都降低,折射率在1.32~1.67范围内。Er的掺杂浓度达到10 at.%时,由于导带底杂质带的形成,EZO禁带宽度有所减小。2.用325nm的激光激发EZO薄膜可观察到1.54μm的红外光,说明EZO薄膜能够实现光的下转换。随着Er掺杂浓度的升高,PL谱中与氧空位(VO)相关的绿光发射强度减小。此外,第一性原理计算结果显示,EZO中VO的形成能随着Er掺杂浓度的升高而升高。由此可得出结论:Er掺杂能够抑制ZnO中VO的生成。3.用磁控溅射法制备了B掺杂浓度为0~6 at.%的BZO薄膜,低浓度的B掺杂有利于提高ZnO的结晶质量,但当掺杂浓度达4 at.%以上时,结晶质量开始变差。BZO薄膜的透光率都达到90%,在掺杂2at%时得到的薄膜电阻最低(1.58E-3Ωcm)。随着B掺杂浓度从0 at.%升到6 at.%,薄膜表面颗粒尺寸和表面粗糙度都降低,薄膜的张应力从1.431 GPa增加到3.122 GPa,禁带宽度则从3.28eV增加到3.57eV,获得了禁带宽度随薄膜应力线性增加的公式:Eg(eV)=3.304+0.165σ(GPa)。4.XPS结果显示,B掺杂后BZO薄膜中Zni和VO的含量增加。随着B掺杂浓度升高,PL中与Zni和VO相关发射峰的强度增大。结合XPS和PL分析,得出以下结论:B掺杂能够促进Zni和VO的生成。
【关键词】：ZnO薄膜 掺杂 缺陷 应力 光电性能
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.41;TB383.2
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 ZnO的结构和光电性能10-12
• 1.3 缺陷12
• 1.4 ZnO薄膜的应用12-14
• 1.4.1 ZnO透明导电薄膜13
• 1.4.2 发光器件13
• 1.4.3 紫外探测器13
• 1.4.4 太阳能电池13-14
• 1.5 掺杂ZnO的研究进展14-15
• 1.5.1 n型掺杂14
• 1.5.2 p型掺杂14-15
• 1.5.3 稀土掺杂15
• 1.6 本文的研究意义及研究内容15-17
• 2 薄膜的制备与表征方法17-25
• 2.1 实验材料、设备与制备方法17-18
• 2.1.1 实验材料17
• 2.1.2 实验设备17-18
• 2.2 薄膜的制备方法18-20
• 2.2.1 溶胶凝胶法18-19
• 2.2.2 磁控溅射法19
• 2.2.3 化学气相沉积法（CVD）19-20
• 2.2.4 分子束外延（MBE）20
• 2.3 表征技术20-25
• 2.3.1 扫描电子显微镜20-21
• 2.3.2 原子力显微镜21
• 2.3.3 X射线衍射分析[34]21-22
• 2.3.4 紫外-可见光吸收谱22-23
• 2.3.5 霍尔测试23-24
• 2.3.6 光致发光谱（PL）24
• 2.3.7 X射线光电子能谱24-25
• 3 Er掺杂对溶胶凝胶法制备的ZnO的结构、光学性能和缺陷的影响25-36
• 3.1 引言25
• 3.2 样品的制备和表征25-26
• 3.3 结果和讨论26-35
• 3.3.1 Er掺杂对ZnO薄膜结构的影响26-27
• 3.3.2 Er掺杂对ZnO薄膜形貌的影响27-29
• 3.3.3 Er掺杂对ZnO薄膜成分的影响29-31
• 3.3.4 Er掺杂对ZnO薄膜光学性能的影响31-33
• 3.3.5 Er掺杂对ZnO薄膜光致发光的影响33-34
• 3.3.6 Er掺杂对ZnO薄膜内部缺陷的影响34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 B掺杂对磁控溅射法制备的ZnO薄膜结构、光电性能和缺陷的影响36-47
• 4.1 引言36
• 4.2 样品的制备和表征36-37
• 4.3 结果和讨论37-46
• 4.3.1 B掺杂对ZnO薄膜结构的影响37-38
• 4.3.2 B掺杂对ZnO薄膜形貌的影响38-40
• 4.3.3 B掺杂对ZnO薄膜电学性能的影响40-41
• 4.3.4 B掺杂对ZnO薄膜光学性能的影响，应力与光学带隙的关系41-43
• 4.3.5 B掺杂对ZnO薄膜成分的影响43-44
• 4.3.6 B掺杂对ZnO薄膜光致发光的影响44-45
• 4.3.7 B掺杂对ZnO薄膜缺陷及导电性的影响45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 5 结论与展望47-49
• 5.1 主要结论47
• 5.2 本文创新点47-48
• 5.3 后续工作展望48-49
• 致谢49-50
• 参考文献50-59
• 附录59
• A. 作者在攻读硕士期间发表的论文目录59
• B. 作者在攻读硕士期间参与的科研项目59

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本文编号：1005216