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溶胶—凝胶法制备zno:v和zno:Co薄膜及性能研究

溶胶—凝胶法制备ZnO:V和ZnO:Co薄膜及性能研究

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作者：魏凌河南大学

学位级别：硕士

具有纤锌矿结构的zno薄膜是一种性能优良的半导体光电器件材料,它在室温下具有较大的禁带宽度和激子束缚能,是一种具有很大潜力和应用价值的紫外发射材料,多年来一直受到物理、化学、材料、和微电子等研究领域的重视。近年来,人们通过... 详细信息

具有纤锌矿结构的zno薄膜是一种性能优良的半导体光电器件材料,它在室温下具有较大的禁带宽度和激子束缚能,是一种具有很大潜力和应用价值的紫外发射材料,多年来一直受到物理、化学、材料、和微电子等研究领域的重视。近年来,人们通过研究发现,在zno半导体薄膜材料中掺入3d磁性过渡族金属离子,利用载流子控制技术可使其成为稀磁半导体新型功能材料。目前,zno稀磁半导体材料的研究在国际上已受到高度关注,而此项研究在国内则尚处于初始阶段,针对于目前大部分文献及报道集中在磁性研究这一现状,本论文系统研究了zno:v和zno:Co薄膜的晶格结构、表面形貌、光学性能及表面化学态,对发展zno稀磁半导体材料及其应用具有重要意义。本论文对zno的晶体结构、基本性质和主要应用进行了综述,同时,对zno薄膜的制备方法以及主要表征手段进行了介绍。本论文采用溶胶-凝胶法在p型单晶Si(100)上制备了zno薄膜,并研究了新的制备工艺下退火温度对薄膜的结晶、表面形貌和发光性能的影响,探讨了预退火时间长短对样品c轴取向、晶粒大小、形貌、光致发光及其表面态的影响,得到了最佳的实验条件,为进一步制备zno掺杂薄膜提供了可靠的实验依据。运用XRD、AFM和PL等对zno和zno:v薄膜进行了分析和研究,系统研究了退火温度、退火气氛及掺杂浓度对zno:v薄膜发光性质的影响。发现掺入1%的钒未使zno薄膜的纤锌矿结构发生改变,zno:v薄膜的晶粒尺寸明显小于zno薄膜。通过比较未退火时、空气中不同温度退火后、氧气中不同退火后的zno和zno:v薄膜的PL谱,发现掺入1%的钒元素对zno薄膜的紫外发光有增强作用,在氧气气氛下800oC高温退火时,zno:v薄膜的紫外峰明显强于zno薄膜,并且其可见发光峰的强度远低于zno薄膜。而在空气中退火时,zno薄膜更有可能产生较多的氧缺陷。钒的掺入可以抑制zno内部缺陷的形成,并显著增强了zno的紫外发光。另外,采用溶胶-凝胶法制备了掺杂浓度分别为5%,10%,20%,30%,40%和50%的zno:v薄膜,主要研究了其发光性质。通过PL谱分析可知随着掺杂浓度的增大,紫外发光峰和可见发光峰强度均先增大再减小。在掺杂浓度等于5%时,紫外和可见发光均达到最大。采用溶胶-凝胶技术在单晶Si (100)衬底上生长了zno和掺杂浓度分别为1%,3%,5%,10%和15%的zno:Co薄膜,通过XRD、吸收光谱和XPS分析了各样品的晶格结构、光学性能和表面态。发现随着掺杂浓度的增大,薄膜的晶粒尺寸逐渐减小,禁带逐渐变窄,在光谱上表现为吸收边红移。这是由于Co构成的施主能级在zno薄膜导带底展宽为杂质能带,并与导带相连形成新的简并导带,带尾伸入禁带造成的。通过XPS研究发现,当掺杂浓度小于等于5%时,Co元素呈+2价;在掺杂浓度为10%和15%时,Co的价态分别为(+2～+3)价和+3价,即随着掺杂浓度的增大,Co元素在薄膜表面的价态逐渐增高。运用高斯拟和公式计算出了O1s中晶格氧和吸附氧的含量。通过监测晶格氧结合能的变化,进一步证实了在掺杂浓度增大时,Co元素在薄膜中的价态也随之增高。本论文通过对zno:v和zno:Co薄膜的分析研究,深入地探讨了掺杂对zno薄膜结构、表面形貌、光学性质及表面态等性能的影响,为zno薄膜在光电半导体和稀磁半导体等方面的进一步研究和应用提供了部分实验依据。

关键词：溶胶-凝胶 zno:v 光致发光 zno:Co XPS

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