脉冲激光沉积法制备ZnS薄膜及其性质的研究

作     者：徐言东 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李清山

授予年度：2009年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：脉冲激光沉积 透射率 光学带隙 退火处理 

摘      要：Ⅱ-Ⅵ族化合物ZnS是一种直接宽带隙半导体材料,光学带隙为3.7eV,有良好的光学和电学特性,无论是在光发射器件领域,还是在α粒子探测器件、薄膜电池和电致发光领域,都是应用极为广泛的材料。本论文利用KrF准分子脉冲激光沉积技术制备ZnS薄膜,并系统地研究了不同衬底、不同温度以及不同退火处理对薄膜的制备和光学特性的影响。另外,制备并研究了不同的退火处理方式对硅基薄膜结晶质量的影响。 1.在玻璃衬底上制备了100℃、200℃、300℃、400℃和500℃温度下的ZnS纳米薄膜。X射线衍射谱表明,随着衬底温度的提高,(111)晶向衍射峰强度显著增强,半高宽先变宽后变窄,其中,200℃下最宽,500℃下最窄,说明在较高的温度下制备的薄膜质量较好。认为高温可以提高沉积颗粒的迁移率,更有利于结晶。 2.利用荧光分光光度计测量了ZnS/Glass的透射光谱。结果显示,在可见光范围内透过率处在60%-90%之间,其中低温度下制备的薄膜平均透过率大于高温度下制备的薄膜透过率。计算表明薄膜光学带隙E随着衬底温度的升高从3.45eV增加到3.67eV。分析带隙普遍小于3.7eV的原因,认为由于生长条件处在10Pa高真空氛围下,硫元素损失严重,造成化学配比失衡,影响到带隙蓝移,但是,温度升高的同时却有利于改善膜的质量,因此带隙逐渐向体材料靠近。与以往仅仅根据衍射峰在20=28.5°处来判断薄膜结构类型的方式不同,本实验采用光学带隙的大小来区别薄膜是六方结构纤锌矿的α-ZnS(002)或者是闪锌矿型的β-ZnS(111),从而找到一个新的低温下判断结构类型的方法。 3.改变衬底温度,在P-Si(100)上制备了ZnS薄膜,X射线显示薄膜拥有(111)、(220)和(311)多晶向,其中(111)为择优生长方向,并随着温度的提高强度明显增强,半高宽变窄,AFM图显示颗粒尺寸变大,表面明显变粗糙。结果表明高温可以增强结晶度,但是影响了薄膜的表面平整度。 4.在200℃衬底温度下,分别于玻璃和Si(100)衬底上生长了ZnS薄膜,研究了300℃、400℃和500℃不同温度下退火处理对薄膜质量和光学性质的影响。退火处理后颗粒尺寸先变小后减大,与薄膜的AFM图片显示结果一致。300℃和400℃退火使得ZnS/Glass透射率减少到60%,并且使光学带隙发生蓝移,而高温500℃退火能使透射率达到80%左右,带隙和200℃未退火相同,带隙靠近体材料3.6eV。说明在500℃以上的温度下退火要比较低温度下的退火更有利于薄膜质量的改善。 5.高真空、200℃衬底温度下在Si(100)上制备了ZnS薄膜,研究了两种退火处理方式对薄膜结晶的影响,分别是经过500℃一次性退火处理1h和生长过程中多次在500℃温度下退火处理。经过比较XRD衍射峰和AFM图,发现经过多次退火处理后的薄膜(111)衍射峰更强,表面致密,颗粒尺寸更大,说明不同的退火处理方式对薄膜的结晶质量有影响,本论文认为在生长薄膜的过程中引入多次退火处理方式能更好地缓解薄膜内部应力,进而改善薄膜的结晶质量。