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本论文首先制备了高质量的ZnO薄膜,然后在室温下进行40 keV N、80 keV N、400 keV Xe、1 MeV Bi离子注入实验和3.64 MeV Xe、5 MeV Bi、308 MeV Xe、2.03 GeVkr离子辐照实验,以及用2.03 GeV Kr离子辐照80 keV N离子注入的ZnO薄膜实验。注入和辐照后的样品,用拉曼散射技术、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见光谱仪和霍尔效应仪对薄膜进行分析,主要研究离子束作用下薄膜内缺陷和结构的变化规律。
1.ZnO薄膜经过离子注入和辐照后,拉曼光谱在130、184、274、470、510和578cm-1处出现新峰(包),其中位于274 cm-1处的新峰只在N离子注入的样品中出现。
2.离子注入实验结果表明:拉曼光谱中578 cm-1峰(Pn1)与99 cm-1峰(E2Low)峰面积比η1和274 cm-1峰(Pn2)与E2Low峰面积比η2,随注入剂量φ的变化近似符合(1-e-σφ)规律,其中σ为损伤截面,根据离子束作用下缺陷的产生规律,274 cm-1。峰可以归因于注入N离子与缺陷结合形成的稳定结构,578 cm-1峰则与离子轰击产生的缺陷有关。随着N和Xe离子注入量的增大,薄膜的晶格常数和压应力呈增大趋势,且晶格常数变化的程度受注入元素化学活性的影响:Xe离子注入量达到5.0×1015 Xe/cm2时,(002)衍射峰出现明显的双峰结构,N离子注入量达到5.0×1016 N/cm2时,(002)衍射峰在低散射角方向出现展宽。1 MeV Bi离子注入实验中,随注入量增大,ZnO薄膜的电阻率下降,载流子浓度增强,同时显示n型传导特性。
3.离子辐照实验结果表明:在相同的移位原子数下,308 MeV Xe辐照后样品内产生缺陷远大于3.64 MeV Xe离子辐照,但是在相同电子能量沉积密度下,两者有相近的趋势:随着辐照剂量的增大,3.64 MeV Xe和5 MeV Bi离子辐照的ZnO薄膜,晶格常数呈现先微小增大,后减少的趋势,308 MeV Xe和2.03 GeV Kr离子辐照的ZnO薄膜,晶格常数总体上呈现减少的趋势。
4.对于80 keV N离子注入(5.0×1015,5.0×1016N/cm2)的ZnO薄膜,经过2.03 GeVKr离子辐照后,随着辐照剂量的增强,薄膜内的缺陷呈现先减少后增大的趋势；高能辐照后薄膜内N离子与缺陷结合形成的稳定结构与离子轰击产生缺陷的比值有不同程度的增大。
5.SEM结果表明:达到一定辐照剂量后,400 keV Xe离子注入和3.64 MeV、308MeV Xe离子辐照均造成ZnO薄膜出现小裂纹或裂缝;TEM结果显示:本论文中80keV N离子注入和308 MeV Xe、2.3 GeV Kr离子辐照ZnO薄膜,均未出现非晶相。
论文对ZnO薄膜的离子注入和辐照改性的相关机理进行了讨论。