NiO基薄膜的磁控溅射法制备及其光电器件的研究

发布时间：2017-12-20 20:24

  本文关键词：NiO基薄膜的磁控溅射法制备及其光电器件的研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：NiO稳定的晶体结构为NaCl立方结构,属于过渡金属氧化物,具有典型的3d电子结构。室温下完全符合化学计量比的NiO具有绝缘特性,但是通常情况很难获得纯化学计量比的NiO,由于本征受主缺陷的存在,使其呈现p型导电特性。NiO是一种宽带隙材料,在室温下其带隙宽度为3.6~4.0 eV,因此具有优良的可见光透过性和紫外响应特性。Li掺杂能够提高NiO材料的空穴浓度,增强其p型导电特性;Mg掺杂可以增加NiO材料的禁带宽度,提高其光学透过率。NiO材料因其特有的磁学、气敏、电阻开关和电致变色等优良特性,拥有潜在的应用价值和广阔的应用前景。特别是基于其宽禁带p型透明导电特性,NiO材料常作为透明电极、空穴传输层和电子阻挡层等被应用在光电器件的研究中,如紫外发光器件、紫外探测器和太阳能电池等。ZnO是一种直接宽带隙半导体材料,具有比较大的禁带宽度和激子束缚能(室温下分别为3.37 eV和60 meV),被广泛应用在短波长发光器件中。基于射频磁控溅射技术,本论文主要围绕NiO:Li薄膜,NiMgO:Li薄膜材料的制备及其特性分析,和NiO:Li(NiMgO:Li)/ZnO异质结器件的光电特性三个方面展开了详细的研究,具体内容如下:通过射频磁控溅射方法,使用纯度为99.9%的Li掺杂NiO靶材(Li2O:NiO=1.04:98.96 wt%),在蓝宝石衬底上制备了NiO:Li薄膜材料。系统的研究了不同的生长参数(衬底温度,溅射功率和氧气流量比)对NiO:Li薄膜的形貌、晶体结构和电学特性和光学特性的影响,逐步优化薄膜的生长条件,以提高NiO:Li薄膜的质量。基于变衬底温度、变溅射功率和变氧气流量比的系列实验,平衡NiO:Li薄膜的各个性能,选取合适的溅射条件制备了一批样品。然后进行了NiO:Li薄膜的退火实验,首先分别在氮气和氧气氛围下对薄膜进行退火,发现在氮气中退火后NiO:Li薄膜中的空穴浓度明显降低,所以又研究了氧气氛围中不同退火温度对NiO:Li薄膜特性的影响。结果表明在氧气中、500℃下对NiO:Li薄膜进行退火处理,能够提高其晶体质量和光学透过率,同时确保薄膜具有较高的空穴浓度,可以达到1018 cm-3。实验中通过将NiO:Li和MgO材料相结合,使用高纯MgO靶材制备了NiMgO:Li薄膜。研究表明随着制备过程中MgO沉积量的增加,NiMgO:Li薄膜的带隙不断展宽,光学透过率不断提高,并且高透过率的范围逐渐向紫外方向延伸,紫外吸收特性也逐渐增强。但是与NiO:Li相比,由于MgO的引入使空穴浓度大幅度下降,降低到1016 cm-3,NiMgO:Li薄膜的p型导电特性变差,经过氧气中的退火处理,薄膜的空穴浓度能够增加到1017 cm-3,光学特性也继续得到改善,可见光透过率达到80%以上,并且薄膜中的相分离基本消失。在ITO衬底上制备了p-NiO:Li/n-ZnO异质结器件,对其光电特性进行了详尽的研究。由于NiO:Li层直接包覆在ZnO纳米墙网络上,而且没有完全弥合纳米墙之间的空隙孔洞,在电致发光测试产生了光淬灭和漏电现象,因此器件的光电性能比较差。随后制备了p-NiMgO:Li/MgO/n-ZnO异质结器件,MgO绝缘层的引入,既避免了漏电和光淬灭现象的产生,同时还起到了能带调节的作用,另外NiMgO:Li的透过率相对比较高,这些都使器件的光电性能得到了提高,在400nm附近实现了随机激光辐射。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O484;TN303

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