溶胶—凝胶法制备Zn1-xMgxO薄膜及其性能研究

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氧化锌是一种Ⅱ-Ⅺ族宽禁带隙(3.30eV)氧化物半导体材料。具有较大的激子束缚能(~60meV),可以实现室温下的紫外受激辐射,是一种很有前途的紫外光电子器件材料,极具开发和应用价值,特别是ZnO薄膜紫外激射的发现,使它成为国内外在半导体材料研究中的新热点。传统上,ZnO薄膜被广泛应用于声表面波器件、体声波器件、气敏传感器、压敏电阻、透明电极、紫外探测器等领域。近年来,ZnO作为宽禁带半导体光电材料的研究越来越受到人们的重视。ZnO薄膜有许多优点,如生长温度低,介电常数低,机电耦合系数大,温度稳定性好,光透过率高,受激辐射阈值低,化学性能稳定等。由于ZnO单晶生长困难、价格昂贵、尺寸小(仅有1cm~3大小的单晶),难以满足各种应用的需要,因此对各种ZnO薄膜制备技术的研究和开发成为ZnO材料及器件应用研究的一个重要方向。目前,比较好的成膜技术有分子束外延(MBE)和脉冲激光沉积法(PLD)。但成本太高,不能实现大面积成膜。本论文采用溶胶一凝胶(Sol-Gel)工艺制备ZnO及ZnMgO合金薄膜,详细研究了升温速率、薄膜厚度、退火温度等工艺参数对薄膜的结晶质量和发光性能的影响。取得了一些有意义的结果。主要内容如下:1、采用溶胶—凝胶工艺使用不同的有机试剂在玻璃衬底上制备了ZnO薄膜,X射线衍射仪(XRD)结果表明,ZnO薄膜均为纤锌矿结构。但是使用乙二醇甲醚制备的ZnO薄膜呈现自由生长的特点;相反,使用聚乙烯纯所制备的ZnO薄膜则具有C柱择优取向生长的特性。2、室温下样品光致发光光谱的测量结果表明,所有的样品均有两个发射带,即近带边紫外发射和可见发射带。随退火温度的升高,样品的紫外发射带增强,可见光发射逐渐减弱,当退火温度升为600℃时,紫外发射最尖锐,几乎观察不到可见光发射。3、测量生长在玻璃基底上的氧化锌薄膜的吸收光谱,结果表明:样品在380nm附近有一陡峭的吸收边,所对应的能量值为3.20eV。ZnO薄膜透射光谱的测量结果表明:样品在可见光波段的平均透过率为85%。4、采用溶胶—凝胶法在玻璃衬底上制备Zn1-xMgxO(X=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7)合金薄膜。XRD衍射测试表明:在0.1<x<0.3范围内,合金薄膜仍然保持氧化锌六角型纤锌矿结构,(002)衍射峰位随x的增大向大角度方向移动,在X≥0.3的范围内,合金薄膜的结构则为氧化锌和氧化镁的混合结构;室温光致发光谱表明:ZnMgO合金薄膜PL谱都是由较强的紫外发射带组成,且随着Mg含量的增加紫外发射峰位发生蓝移,同时可见发射增强。
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