脉冲激光沉积法制备SnO外延薄膜及其性能研究

发布时间：2017-08-02 01:15

  本文关键词：脉冲激光沉积法制备SnO外延薄膜及其性能研究

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【摘要】：SnO作为一种典型的氧化物半导体材料,表现为独特的本征p型导电,在作为锂离子电池电极材料以及制备p型沟道场效应薄膜晶体管(TFTs)方面极具应用前景。但是和众多n型氧化物半导体材料相比,SnO的p型导电机制及其相关性能的研究还不是很深入,这主要是缺乏高质量的SnO样品作为研究对象。而制备高质量SnO薄膜是深入研究其相关性能的前提,因此系统研究SnO的外延生长工艺具有重要的学术意义和实用价值。本论文提出采用脉冲激光沉积(PLD)法溅射金属Sn靶,以O2为反应气体,在r面蓝宝石上制备SnO外延薄膜。系统研究了沉积氧压和衬底温度对SnO外延薄膜生长的影响,以及SnO外延薄膜的厚度依赖特性。主要研究内容及结果如下:首先,我们研究了沉积氧压对SnO外延薄膜生长的影响,通过调节氧压实现了 SnO和SnO2两种外延薄膜的制备,确定了在575℃下制备(001)取向的SnO外延薄膜的最佳氧压为0.3 Pa。XRD表征测试结果表明SnO薄膜与r面蓝宝石的外延关系为:SnO(001)//Al2O3(1012)和 SnO(110)//Al2O3(1120)。XPS 价带结构测试显示 SnO 和 SnO2 薄膜分别表现出p型和n型半导体材料的价带电子结构特征。拉曼光谱测试表明(001)取向的SnO外延薄膜的拉曼谱仅出现A1g振动模,而E1g不出现。其次,我们进一步研究了温度对SnO外延薄膜生长的影响,得到了生长SnO薄膜的温度窗口为400-600℃,且575℃左右为生长SnO外延薄膜的最佳温度。当衬底温度达650℃时,薄膜处于由SnO相向SnO2相转变的过渡态,并出现了中间相Sn3O4。随着温度进一步升高到700℃,SnO相完全消失,完成了 2SnO→SnO2+Sn的转变。研究表明,生长温度也直接影响薄膜的表面均方根粗糙度。随着温度的升高,薄膜的表面均方根粗糙度逐渐减小,在不发生相变的前提下,高温更利于SnO薄膜的生长。同时实验也表明,SnO薄膜的光学带隙受温度的影响较小,随着温度的变化基本不变。最后,我们制备了厚度从3.54 nm到60.88 nm的一系列SnO外延薄膜,研究了其厚度依赖特性。XRD测试结果表明:我们得到的SnO外延薄膜在c方向上的相干长度为19nm。薄膜生长初期,晶格常数表现为面内晶格常数a膨胀,而面外晶格常数c压缩;随着厚度的增加,a逐渐收缩后稳定在3.807 A,而c则先逐渐膨胀后稳定在4.867A,最终均趋向于SnO块体材料的晶格常数值。对于超薄膜,SnO(002)面摇摆曲线半高宽均在0.1°左右,表明晶体的面外原子排列规整,结晶质量高;当厚度增加到超过相干长度时,(002)面摇摆曲线半高宽急剧增到0.48°及以上,薄膜因缺陷密度增加而表现为结晶质量有所下降。薄膜的光学性质研究表明,超薄薄膜的光学带隙出现了由量子尺寸效应引起的蓝移,当厚度从25.61 nm减小到3.54 nm时,带隙从2.64 eV增加到2.89 eV。通过进一步分析,我们也得到SnO块体材料光学带隙Eg(R→∞)为2.66 eV,电子的有效质量为me*=0.133me,以及SnO的激子直径为63.4A。这些基本物理常数系首次通过实验的方式得到,对于人们进一步了解认识SnO具有理论指导意义。
【关键词】：脉冲激光沉积(PLD) SnO外延薄膜 拉曼特性 光学带隙 厚度依赖特性
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.32;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 SnO的基本性质及其应用11-16
• 1.2.1 SnO的晶体结构11-12
• 1.2.2 SnO的导电机制12-13
• 1.2.3 SnO电学性质13-14
• 1.2.4 SnO薄膜的应用14-16
• 1.3 SnO薄膜的研究现状16-18
• 1.3.1 SnO外延薄膜的生长技术研究现状16-17
• 1.3.2 SnO薄膜相关性质的研究现状17-18
• 1.4 本课题的选题思路及主要研究内容18-19
• 第2章 薄膜制备工艺及表征方法19-33
• 2.1 半导体薄膜的外延生长技术简介19-21
• 2.1.1 溶胶-凝胶法(Sol-gel)19-20
• 2.1.2 磁控溅射法(MS)20
• 2.1.3 电子束蒸发法(EBE)20-21
• 2.1.4 脉冲激光沉积法(Pulsed Laser Deposition,PLD)21
• 2.2 脉冲激光沉积(PLD)技术21-26
• 2.2.1 PLD法概述21-22
• 2.2.2 PLD原理22-23
• 2.2.3 PLD的特点23-24
• 2.2.4 实验所用PLD设备简介24-26
• 2.3 SnO薄膜的PLD法制备工艺26-27
• 2.4 SnO薄膜的表征测试方法27-33
• 2.4.1 X射线衍射(XRD)27-29
• 2.4.2 原子力显微镜(AFM)29
• 2.4.3 紫外-可见分光光度计(UV-vis)29-31
• 2.4.4 X射线光电子能谱仪(XPS)31-32
• 2.4.5 拉曼光谱(Raman)32-33
• 第3章 沉积氧压对SnO薄膜生长的影响33-47
• 3.1 样品的制备33-34
• 3.2 实验结果与讨论34-46
• 3.2.1 沉积氧压对薄膜相结构的影响34-36
• 3.2.2 沉积氧压对薄膜表面形貌的影响36-37
• 3.2.3 不同氧压条件下沉积薄膜的化学价态及价电子结构的表征37-40
• 3.2.4 不同氧压条件下沉积薄膜的光学性质的表征40-42
• 3.2.5 SnO外延薄膜的拉曼振动特性研究42-46
• 3.3 本章小结46-47
• 第4章 衬底温度对SnO薄膜生长的影响47-59
• 4.1 样品的制备47-48
• 4.2 衬底温度对SnO薄膜相结构及性能的影响48-53
• 4.2.1 衬底温度对薄膜相结构的影响48-51
• 4.2.2 衬底温度对沉积SnO薄膜表面形貌的影响51-52
• 4.2.3 衬底温度对沉积SnO薄膜光学性能的影响52-53
• 4.3 中间相相结构的研究53-58
• 4.3.1 直接沉积的含中间相Sn_xO_y样品的相结构表征54-56
• 4.3.2 含中间相Sn_xO_y样品原位变温拉曼表征56-57
• 4.3.3 含中间相Sn)xO_y样品变温拉曼测试后的相结构表征57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 SnO外延薄膜的厚度依赖特性研究59-69
• 5.1 样品的制备59-60
• 5.2 实验结果与讨论60-68
• 5.2.1 不同厚度SnO薄膜相结构的表征60-62
• 5.2.2 薄膜厚度对SnO薄膜晶格常数的影响62-64
• 5.2.3 不同厚度SnO薄膜的Raman表征64-65
• 5.2.4 不同厚度SnO薄膜表面形貌的表征65-66
• 5.2.5 薄膜厚度对SnO薄膜光学带隙的影响66-68
• 5.3 本章小结68-69
• 全文总结69-71
• 参考文献71-78
• 附录78-79
• 致谢79

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