脈沖激光沉積法制備Zn0薄膜中襯底溫度對Zn0薄膜結(jié)構(gòu)的影響-

1、收稿日期:20100311作者簡介:劉濤(1981,男,陜西商洛人,助教,在讀研究生,主要從事ZnO 透明導(dǎo)電薄膜研究。E mail :liutao805sinacom脈沖激光沉積法制備Zn0薄膜中襯底溫度對Zn0薄膜結(jié)構(gòu)的影響劉濤(商洛學(xué)院物理系,陜西商洛726000摘要:采用溶膠凝膠法制備高純的靶材,利用PLD 法生長薄膜,成功地在Si 襯底上生長了高質(zhì)量的ZnO 薄膜,系統(tǒng)的研究了襯底溫度對薄膜生長的影響。采用XRD 對薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。XRD 測試表明,大部分薄膜都具有高度的C 軸擇優(yōu)生長取向性,只有襯底溫度過高薄膜結(jié)構(gòu)才發(fā)生改變。關(guān)鍵詞:溶膠凝膠;脈沖激光沉積(PLD ;ZnO 薄膜

2、;X 射線衍射(XRD 中圖分類號:TN304文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:10083871(2010040030031引言氧化鋅(ZnO 是一種多功能寬帶隙氧化物半導(dǎo)體材料,具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它具有良好的透明導(dǎo)電性,非常適合用于制作短波長發(fā)光器件。還具有壓電、光電、氣敏、壓敏特性,且易于與多種半導(dǎo)體材料實現(xiàn)集成化,因此在許多方面具有實用價值。由于ZnO 薄膜的廣泛應(yīng)用,ZnO 薄膜的制備方法也受到人們廣泛研究。而且ZnO 薄膜對制備條件要求不高,因此幾乎所有的薄膜制備方法都可以用來制備ZnO 薄膜,常用的制備方法有:金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、脈沖激光沉積、分子束外延、溶膠凝膠法等。各種方法

3、都有其優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)需要采用不同的制備方法是制備相應(yīng)的高質(zhì)量薄膜的關(guān)鍵。2薄膜制備方法21脈沖激光沉積(PLD 脈沖激光沉積法是一種真空物理沉積工藝,是將高功率脈沖激光聚焦于靶材表面,使其產(chǎn)生高溫及燒蝕,進(jìn)而產(chǎn)生高溫高壓等離子體,等離子體定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上沉積形成薄膜1。同其他制膜技術(shù)相比,PLD 具有如下優(yōu)點(diǎn):靶膜成分一致,生長過程中可原位引入多種氣體,燒蝕物能量高,容易制備多層膜和異質(zhì)結(jié),工藝簡單,靈活性大,可制薄膜種類多,可用激光對薄膜進(jìn)行多種處理等。PLD 的主要缺點(diǎn)是:在薄膜及表面存在微米一亞微米尺度的顆粒物,膜厚不均勻,溶蒸“羽輝”具有很強(qiáng)的定向性,只能在很窄的范圍內(nèi)形成均勻

4、厚度的膜。而且所制備薄膜的面積小,以及某些材料靶膜成分并不一致。22溶膠凝膠法溶膠凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體,在液相下將這些原料均勻混合,并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng),在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系,溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合,形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠,凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑,形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料2。3實驗工作用電子天平稱取10gZn (CH 3C002·2H 20粉末,其純度不低于9999%,使其溶入蒸餾水中,加熱攪拌至溶解充分,并加入稀HNO 3和氨水調(diào)節(jié)溶液的pH 值為2,再在溶液中加入聚乙二醇繼續(xù)攪拌。在水浴中

5、攪拌加熱到形成一定粘度的溶膠,將這些溶膠放到保溫箱中進(jìn)行干燥后研磨成粉末在高溫箱式電阻爐SRJX 4B 中進(jìn)行多次燒結(jié)。等自然冷卻后壓成靶材,再對靶材在高溫氣氛爐中通氧燒結(jié),得到 50mm 靶材。將基片放入盛有丙酮的燒杯中置于超聲波清洗槽中,進(jìn)行超聲波清洗20min ,將基片取出用蒸餾水2010年7月第20卷第4期榆林學(xué)院學(xué)報JOURNAL OF YULIN UNIVERSITY July2010Vol20No4沖洗后放入盛有無水乙醇的燒杯中再清洗20min,以除去基片表面吸附的有機(jī)物。基片用蒸餾水沖洗后放入盛有蒸餾水的燒杯中在水溫加熱70的情況下再次超聲清洗20min,將清洗好的基片風(fēng)干。將

6、靶材固定,并將清洗干凈的基片固定在樣品架上,調(diào)整基片和靶的距離到合適位置,關(guān)閉真空室,調(diào)節(jié)光路,使激光正好打在靶材上。將真空度抽至105Pa,然后對基片加熱,升溫至薄膜生長溫度。然后通入氧氣,保持真空室壓強(qiáng)為72Pa,準(zhǔn)備就緒后發(fā)射激光,開始鍍膜,鍍膜時間15h。鍍膜結(jié)束后,關(guān)閉激光器,對試樣原位退火40min。采用瑞士XPert PRO MPD型X射線衍射儀(Cu ka輻射波長015418nm對不同襯底溫度(室溫600下ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測試分析3。4主要實驗結(jié)果與討論襯底溫度直接影響著襯底表面吸附原子的遷移率、再蒸發(fā)和結(jié)晶狀況,從而對生成薄膜的特性有很大影響。一般來說,在較低的襯底溫

7、度下,襯底表面吸附原子的遷移率較低,外來分子或原子即使具有較高的能量也容易被沉積迅速“冷卻”,使得其表面擴(kuò)散長度大為減少而不能遷移成核,這樣獲得的薄膜表面比較粗糙;當(dāng)在過高的襯底溫度下,分子的吸附壽命縮短,即使在氧分壓較大的情況下,也使ZnO 分子分解速率大于Zn和O原子結(jié)合為ZnO如分子的速率,導(dǎo)致樣品表面局域富鋅而引入大量缺陷,表現(xiàn)為薄膜的致密性差,易于形成取向混亂的多晶甚至非晶態(tài)薄膜;所以在合適的襯底溫度下,襯底表面吸附原子的遷移率較大,原子能夠遷移到合適的晶格位置而成核,并且一些吸附原子可能具有較大的解析能,在襯底表面作短暫停留后再蒸發(fā)掉,因此有利于生成平整致密、C軸取向良好的薄膜4。

8、圖1給出了在Si(100基片上,在不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜的X射線衍射(XRD圖。從圖1可知,當(dāng)襯底溫度分別在室溫、100、350時,在2角大約為3442左右處,出現(xiàn)了強(qiáng)度較強(qiáng)的衍射峰,對應(yīng)著ZnO薄膜(002峰,而2角為6256處的(103衍射峰相對很弱,而且隨襯底溫度的升高,(002衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng),(103衍射峰強(qiáng)度減弱。衍射峰的半高寬變小。當(dāng)襯底溫度為600時, ( 002衍射峰幾乎消失,(103衍射峰強(qiáng)度急劇增強(qiáng)。圖1不同襯底溫度下ZnO薄膜的XRD圖由XRD的結(jié)果,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:第一,隨著襯底溫度的升高,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、C軸取向性及均勻性逐漸得到改善。ZnO薄膜(002

9、衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),擇優(yōu)取向更加明顯。說明在合適的襯底溫度下,即350,襯底表面原子的遷移率較高,原子有足夠的能量遷移到易于成核的位置,并且使凝聚原子的表面移動性增大,因此薄膜的取向較為一致,結(jié)晶質(zhì)量較好。第二,隨著襯底溫度的升高,薄膜的衍射鋒的位置有微小的變化,其2角變小,衍射峰的半高寬也變小,晶面間距變大。這是因為一般來說在入射波長一定的條件下,當(dāng)晶面間距d的大小發(fā)生變化時,衍射角2會發(fā)生相應(yīng)的改變5。此外,隨襯底溫度的升高,薄膜的晶面間距變大,根據(jù)X射線粉末衍射卡(PDF卡,也稱JCPDS卡,纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO (002面的標(biāo)準(zhǔn)晶面間距d應(yīng)為2602,可見襯底溫度的過高或過低,都會使晶面

10、間距d偏離PDF卡上Zn0的標(biāo)準(zhǔn)晶面間距。說明襯底溫度的過高或過低,Zn0薄膜中Zn與O的比例會偏離化學(xué)配比,從而使晶面間距的大小產(chǎn)生偏差。第三,纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO(002方向的表面能密度在ZnO晶體方向中是最低的。因為薄膜生長時,具有低表面能的晶粒容易長大,使生長方向沿著最低表面能的結(jié)晶方向生長,從而使晶粒的C軸均勻垂直于襯底表面,即形成C軸取向良好的薄膜。故根據(jù)ZnO薄膜(002取向的特點(diǎn),可以推斷ZnO (002方向的表面能密度是最低的。5結(jié)語不同于常規(guī)的固相反應(yīng)法,成功地利用溶膠一凝膠法在pH=2時得到高純度ZnO塊材,利用脈沖激光沉積法(PLD制備薄膜,鑒于ZnO薄膜在生長·

11、13·劉濤:脈沖激光沉積法制備Zn0薄膜中襯底溫度對Zn0薄膜結(jié)構(gòu)的影響過程中容易缺氧的原因,在薄膜制備過程中通入氧氣,而且在不同的襯底溫度下生長薄膜。發(fā)現(xiàn)襯底溫度過高或過低,都會影響薄膜的結(jié)晶情況,或者是擇優(yōu)生長不是很好,或者是晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞。當(dāng)襯底溫度為350時,薄膜具有良好的C 軸擇優(yōu)生長取向。參考文獻(xiàn):1高國棉,陳長樂脈沖激光沉積(PLD 技術(shù)及其應(yīng)用研究J 材料導(dǎo)報,2005(3:692鄭偉濤薄膜材料與薄膜技術(shù)M 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20043F K Shan ,B I Kim ,G X Liu ,JApplPhysJ 2004(95:47724陳曉清,謝自力退火溫度對

12、納米ZnO 薄膜結(jié)構(gòu)與發(fā)光特性的影響J 微納電子技術(shù),2004(11:245左演聲,陳文哲材料現(xiàn)代分析方法M 北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2003(責(zé)任編輯:邵治亮Effect of the Substrate Temperature in the Preparation of Zn 0thin Film by the Pulse Laser DepositionLIU Tao(Department of Physics ,Shangluo University ,Shangluo 726000,Shaanxi Abstract :The paper studies the preparatio

13、n of high purity target materials by sol gel process ,using the method of PLD ,the high quality ZnO films was generated on the Si substrate successfullyEffect of the substrate tempera-ture in the preparation of Zn0thin film was researchedThe results of XRD measurement shows that most of the film is

14、highly preferred growth in orientation of C axis ,the structure of films change only when the substrate temperature is highKey words :so1gel ;pulsed laser deposition ;ZnO thin films ;檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸X ray diffraction(上接第29頁參考文獻(xiàn):1熊金成點(diǎn)集拓?fù)渲v義(第3版M 北京:高等教育出版社,20032程吉樹,陳水利點(diǎn)集拓

15、撲學(xué)M 北京:科學(xué)出版社,20083Dikran D and GiuliE,S (n closed Spaces J Topology and its Apply ,1988(28:59744汪賢華連通空間J 純粹數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué),2004,20(3:2432475高小燕預(yù)拓?fù)淇臻g的連通性J 西南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版,2008(4:6636676周紅玲,沈林閉包空間的連通性J 天中學(xué)刊,2009,24(5:467周紅玲,李生剛預(yù)拓?fù)淇臻g中的低階分離公理J 紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報,2009,22(4:467471(責(zé)任編輯:王瑞斌Connectedness of Topological Spac

16、eZHOU Hong ling 1,SHEN Lin 1,ZHANG Xiong wei 2(1Department of Mathematics ,Huanghuai University ,Zhumadian 463000,He nan ;2Department of Mathematics and Applied Mathematics ,Yulin University ,Yulin 719000,Shaanxi Abstract :The connected spaces are enlarged by separated set and connectedness of topological spaces ,which is a more extensive topo