磁控濺射制備ZnO薄膜的結構及發(fā)光特性研究_圖文

1、 第9期光譜學與光譜分析202950mrn。本底真空為2.5×10一Pa,控制濺射過程中的工作氣壓為0.75Pa,Ar和Q表觀質(zhì)量流量分別為10和6mL rain,.基片溫度分別控制在室溫,150,250及350,樣品依次記為1,2,3,4號。樣品制備過程中射頻濺射功率控制為85W,樣品沉積時間1h。薄膜的結構分析采用BDX3200型衍射分析儀(Cu Ka,A -0.15406nm在爭2臼模式下進行,用SPl3800N型多功能掃描探針顯微鏡進行形貌表征。樣品的PI。譜采用Hitachi F-4500型熒光分光光度計測量,采用氙燈作激發(fā)源,激發(fā)光波長320rln2。樣品的吸收譜采用La

2、mbda35Uv/Vis光譜儀測量。所有測量在室溫下完成。2結果及討論2.1襯底加溫對ZnO薄膜結構的影響圖1所示為不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜的XRD 譜。其中曲線(1(4分別對應于襯底溫度控制在室溫150, 250及350時所制備樣品的XRD譜,即依次對應1號、2號、3號、4號樣品。從衍射譜中可以看出,隨著襯底溫度從室溫至350依次升高,(002衍射峰相對強度隨襯底溫度升高有很顯著的增加,薄膜c軸擇優(yōu)取向變好,而當襯底溫度超過250以后,(002峰相對強度變小,并且出現(xiàn)了其他晶向的衍射峰,文獻13中也有類似的結果。我們認為這可能是因為玻璃襯底與ZnO薄膜的熱膨脹系數(shù)不同,當襯底溫度接近3

3、50時,薄膜表面出現(xiàn)了細微裂紋,表面粗糙度增大。Gupta“j等在關于ZnO薄膜高溫退火的研究中觀測到了這種裂紋的存在,這種細微裂紋的出現(xiàn)導致薄膜c軸取向性變差。300024001800l2006002040f;08(20Meg.Fig.1XRD patterns of ZnO films at differentsuhstrate temperatures1:RT;2:150;3:250;4:350原子和氧原子在襯底上吸附后,由于原子的能量較低,無法遷移到能量最低的品格位置,薄膜的缺陷較多,因此薄膜的(002取向性較差,衍射峰相對強度較弱i15。襯底溫度的升高為薄膜表面原子或分子的遷移提供了

4、能量,襯底溫度升高,原子獲得足夠的擴散激活能,遷移率增大,較為有序的占據(jù)晶格位置,使得具有較低表面能的晶粒由于溫度升高得以長大,薄膜的結晶質(zhì)量變好161,而當襯底溫度接近350時,雖然晶粒尺寸進一步增大,但由于薄膜表面可能出現(xiàn)細微裂紋而導致薄膜的c軸取向性變差。1.0等0.8i壹o.60.4OFig.2100200300400Substrate”mperatu忡/FWHM and grain size of ZnO films asa function of substrate temperature圖3所示為SPl3800N型多功能掃描探針顯微鏡測得樣品的AFM圖,其中上圖為襯底加溫150時

5、制備的樣品,下圖為襯底加溫350時制備的樣品。可以看出,隨襯底溫度升高,晶粒尺寸增大,這與XRD對樣品晶粒尺寸變化趨圖2所示為不同襯底溫度下所制備樣品(002取向衍射峰的半高寬(FWHM及晶粒尺寸隨襯底溫度的變化關系圖。樣品晶粒尺寸的計算采用Scherrer公式d一0.9A/艮。的(1其中A為X射線波長(約0.1546nm,0和口分別為布喇格衍射角及半高寬,計算所得的晶粒尺寸分為7.78,8.67,13.65,17.36nlTl。結合圖2可以看出,隨襯底溫度從室溫至350逐漸升高,(002衍射峰半高寬逐漸減小,晶粒隨襯底溫度的升高逐漸長大。當襯底溫度較低時,濺射的鋅Fig.3AFM micro

6、scopic of ZnO thin films 奄c冒_lom 埔M j m 8 磁控濺射制備ZnO薄膜的結構及發(fā)光特性研究 作者： 作者單位： 徐小麗， 馬書懿， 陳彥， 張國恒， 孫小菁， 魏晉軍， XU Xiao-li， MA Shu-yi， CHEN Yan， ZHANG Guo-heng， SUN Xiao-jing， WEI Jin-jun 徐小麗,馬書懿,孫小菁,魏晉軍,XU Xiao-li,MA Shu-yi,SUN Xiao-jing,WEI Jin-jun(西北 師范大學物理與電子工程學院,甘肅,蘭州,730070， 陳彥,張國恒,CHEN Yan,ZHANG Guohe

7、ng(西北民族大學電子材料國家民委重點實驗室,甘肅,蘭州,730030 光譜學與光譜分析 SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS 2008，28(9 2次 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 參考文獻(22條 1.Tang Z K.Wong G K L.Yu P 查看詳情 1998 2.孫萍.熊波.張國青 查看詳情期刊論文-光譜學與光譜分析 2007(01 3.商紅凱.張希清.姚志剛 查看詳情期刊論文-光譜學與光譜分析 2006(03 4.Marotti R E.Giorgi P.Machado G 查看詳情 2006 5.Ashour A.Kaid

8、M A.El-Sayed N Z 查看詳情 2006 6.Lin Bi-xia.Fu Zhu-xi.Jia Yun-bo 查看詳情 2001 7.孫成偉.劉志文.張慶瑜 查看詳情期刊論文-物理學報 2006(01 8.朋興平.楊揚.耿偉剛 查看詳情期刊論文-發(fā)光學報 2005(04 9.Ramamoorthy K.Sanjeeviraja C.Jayachandran M 查看詳情 2006 10.傅竹西.林碧霞.祝杰 查看詳情期刊論文-發(fā)光學報 2001(02 11.Lin Sushia.Huang Jowlay.Liib Dingfwu 查看詳情 2004(02 12.劉志文.谷建峰.付偉

9、佳 查看詳情期刊論文-物理學報 2006(10 13.Gong Hengxiang.Wang Yinyue.Yan Zhijun 查看詳情 2002 14.Gupta V.Mansingh A 查看詳情 1996(02 15.Kim Kyoungkook.Song Jaehoon.Jung Hyungjin 查看詳情 2000 16.Yang Chengtao.Zeng Zeyu.Chen Zhu 查看詳情 2006 17.Kim Kwangsik.Kim Hyounwoo.Lee Chongmu 查看詳情 2003 18.李伙全.寧兆元.程珊華 查看詳情期刊論文-物理學報 2004(03 1

10、9.徐彭壽.孫玉明.施朝淑 查看詳情期刊論文-中國科學A輯 2001(04 20.孫成偉.劉志文.秦福文 查看詳情期刊論文-物理學報 2006(03 21.ZHANG Deheng 查看詳情 1996 22.Vanheusden K.Warren W L.Seager C H 查看詳情 1996 相似文獻(10條 1.期刊論文 谷建峰.劉志文.劉明.付偉佳.馬春雨.張慶瑜.Gu Jian-Feng.Liu Zhi-Wen.Liu Ming.Fu Wei-Jia.Ma Chun-Yu.Zhang Qing-Yu Si(001基片上反應射頻磁控濺射 ZnO薄膜的兩步生長方法 -物理學報2007,5

11、6(4 利用反應射頻磁控濺射技術,采用兩步生長方法制備了ZnO薄膜,探討了基片刻蝕時間和低溫過渡層沉積時間對ZnO薄膜生長行為的影響.研究結果表明 ,低溫ZnO過渡層的沉積時間所導致的薄膜表面形貌的變化與過渡層在Si(001表面的覆蓋度有關.當?shù)蜏剡^渡層尚未完全覆蓋基片表面時,ZnO薄膜的表面 島尺度較小、表面粗糙度較大,薄膜應力較大;當?shù)蜏剡^渡層完全覆蓋Si(001基片后,ZnO薄膜的表面島尺度較大、表面粗糙度較小,薄膜應力較小.基片刻 蝕時間對薄膜表面形貌的影響與低溫過渡層的成核密度有關.隨著刻蝕時間的增加,ZnO薄膜的表面粗糙度逐漸下降,表面形貌自仿射結構的關聯(lián)長度逐漸 減小. 2.學位

12、論文 汪冬梅 ZnO薄膜和Al摻雜ZnO（ZAO）薄膜的射頻磁控濺射制備及其性能研究 2006 ZnO是一種-族的寬帶隙直接帶結構的多功能材料，為六角纖鋅礦結構。ZnO薄膜由于具有優(yōu)異的壓電、光電、氣敏、壓敏等特性，近年來受到廣 泛關注。Al摻雜的ZnO(ZAO透明導電膜作為一種重要的光電子信息材料也得到了廣泛的研究，ZAO薄膜具有與目前已得到廣泛應用的ITO薄膜可比擬的光 學、電學性質(zhì)，而且在高溫條件下，它的成分不易與氫發(fā)生互擴散，因此在活性氫和氫等離子體環(huán)境中化學穩(wěn)定性高，不易使太陽能電池材料活性降低 ，是最有開發(fā)潛力的透明導電薄膜，可望成為ITO薄膜最佳的替代者，推動廉價太陽能電池的發(fā)展

13、。 本文利用射頻磁控濺射技術完成了ZnO薄膜和Al摻雜ZnO(ZAO薄膜的制備，并對所制備的薄膜進行了退火處理。利用X射線衍射(XRD、掃描電子顯微 鏡(SEM、X射線光電子能譜(XPS、熒光光譜儀、光譜儀、四探針測試儀等對制備的ZnO薄膜進行了表征和性能研究。 研究表明，制備工藝尤其是襯底溫度和退火處理能顯著影響薄膜的晶體、光學和電學性能。就ZnO薄膜而言，襯底溫度為300時，薄膜的擇優(yōu)取向 最強，空氣中500退火能使薄膜的結晶性能最好，而無論是原位沉積薄膜還是退火后的薄膜的可見光區(qū)平均透光率均超過85；對Si(111襯底上沉積 的ZnO薄膜進行退火處理，薄膜的結晶質(zhì)量得到提高，與深能級發(fā)射

14、有關的缺陷濃度有所減少。對于ZAO薄膜，原位沉積的薄膜電阻率可達2.59cm，可 見光區(qū)透過率約為70。薄膜的低電阻率是通過Al摻雜和薄膜中的化學計量比偏移獲得，但是Al摻雜在降低薄膜電阻率的同時會引起雜質(zhì)散射，因此 ZAO薄膜的可見光區(qū)透過率較ZnO薄膜會有所下降，光學帶隙由于Burstein-Moss效應會有所增大。500純Ar氣氛中退火1h后，ZAO薄膜的透光性能和導電 性能均有所改善，ZAO薄膜可見光區(qū)平均透過率從70提高到80左右，薄膜的電阻率從2.59cm降低到0.13cm。 3.期刊論文 朱慧群.丁瑞欽.ZHU Hui-qun.DING Rui-qin 射頻磁控濺射摻氮ZnO薄膜

15、的制備與表征 -半導體技術 2006,31(7 以ZnO為靶材,采用射頻磁控濺射法,在襯底溫度為450、混合氣體壓強為1.3Pa的條件下,在石英玻璃和拋光單晶硅襯底上沉積了一系列呈六角纖鋅 礦結構、沿(0002晶面高度取向生長的ZnO薄膜.利用X射線衍射、四探針、原子力顯微鏡、吸收光譜和光致熒光光譜等實驗分別對薄膜樣品的晶體結構、 表面形貌和光電特性進行了分析表征.結果表明,氮對ZnO薄膜的缺陷有明顯的鈍化作用,氣體組分、濺射功率是影響ZnO薄膜沿C軸擇優(yōu)取向生長、結構特 征和光電性質(zhì)的重要因素. 4.學位論文 邱駿 射頻磁控濺射法制備TiO<,2>，ZnO薄膜及性質(zhì)研究 2007

16、 在材料科學的各個分支中，薄膜材料科學的發(fā)展一直占據(jù)了極為重要的地位。TiO2,ZnO薄膜具有優(yōu)良的介電、壓電、氣敏和光催化等功能，在微電 子、光學、傳感器和光催化等方面有著重要的應用。 分別以高純金屬鈦、鋅為靶材，氧氣為反應活性氣體，采用射頻磁控濺射法制備金屬薄膜以及以射頻磁控反應濺射法沉積金屬氧化物薄膜，對制備 的金屬薄膜在不同的溫度下空氣氣氛中進行熱處理，開始反應生成各自的金屬氧化物。對以射頻反應磁控濺射法沉積金屬氧化物薄膜在馬弗爐中不同溫 度下加熱進行退火處理。 沉積的金屬鈦薄膜在馬弗爐中加熱，易向金紅石相的。TiO2薄膜轉變，而沉積的非晶氧化鈦薄膜在退火條件下容易向銳鈦礦相轉變。金屬

17、鋅薄膜在 馬弗爐中加熱反應后生成纖鋅礦相氧化鋅薄膜，但是薄膜表面比較疏松起翹。 采用紫外-可見分光譜測試TiO2、ZnO薄膜的透射率，研究氧氣流量、退火溫度對薄膜透射率的影響；以掃描電鏡考察氧氣流量變化對TiO2、ZnO薄膜 表面形貌的影響；以拉曼光譜(Raman和X射線衍射(XRD對薄膜的晶型形態(tài)進行了測試和分析。 對所制備得到的TiO2薄膜進行親水性和光催化性能測試。 5.期刊論文 黃飛.孫仲亮.孟凡明.孫兆奇.HUANG Fei.SUN Zhong-liang.MENG Fan-ming.SUN Zhao-qi 射頻磁控濺 射ZnO薄膜的微結構與光學特性 -真空電子技術2008(2 研究

18、了膜厚對ZnO薄膜微結構和光學性能的影響.采用射頻磁控濺射法在單晶硅(111和玻璃基片上制備了不同厚度的ZnO薄膜.通過X射線衍射、原子 力顯微鏡和紫外可見光譜對薄膜進行了表征.結果表明薄膜結晶性能良好,在(002晶面具有明顯的c軸取向.隨著薄膜厚度的增加,透射率下降,吸收邊紅移 ,禁帶寬度逐漸減小. 6.期刊論文 高曉紅.王超.馬占敖.遲耀丹.楊小天.GAO Xiao-hong.WANG Chao.MA Zhan-ao.Chi Yao-dan.YANG Xiao-tian ZnO薄膜的射頻磁控濺射制備及性能研究 -光機電信息2008,25(12 采用射頻磁控濺射法在玻璃襯底上制備出高質(zhì)量的Z

19、nO薄膜.對薄膜的結構和性能進行了研究.所制備的ZnO是具有六角纖鋅礦結構的多晶薄膜,最佳擇 優(yōu)取向為(002方向.ZnO薄膜的霍爾遷移率和載流子濃度分別為8×104m2/(V·s和11.3×1020 cm-3. 7.學位論文 余花娃 射頻磁控濺射法制備氧化鋅薄膜及其特性的研究 2007 ZnO是一種新型的-族直接帶隙化合物半導體，禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能為60meV具有六方纖鋅礦結構。ZnO薄膜具有廣泛的應用，如ZnO薄 膜可以制成表面聲波諧振器、壓電器件、壓敏器件、透明電極、氣敏傳感器、導電膜等。近年來，隨著短波器件的廣泛應用，直接寬帶半導體材料的研

20、 究越來越受人們的重視，對氧化鋅薄膜材料的研究和開發(fā)在國內(nèi)外科學界及工業(yè)部門引起了極大的關注和興趣。 ZnO薄膜制備的主要方法有：磁控濺射、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延、電子束蒸發(fā)沉積、噴霧熱分解、溶膠.凝膠法、薄膜 氧化法等。各種方法各有優(yōu)缺點。根據(jù)需要制備相應的高質(zhì)量的薄膜是ZnO薄膜應用的關鍵，同時制備成本也是必須考慮的重要因素。通常認為理想 ZnO薄膜具有高的c軸擇優(yōu)取向。磁控濺射在最佳條件下可以得到均勻、致密、有良好的c軸取向性和可見光波段透明性好等優(yōu)點的薄膜，使得它成為在 ZnO制備中研究最多并且使用最廣泛的方法。本課題采用RF反應磁控濺射制備了ZnO薄膜并對其進

21、行探索性研究。研究內(nèi)容主要包括：射頻磁控濺射工藝 條件對ZnO薄膜結構特性和表面形貌的影響、對ZnO薄膜光學特性的影響，以及ZnO發(fā)光機理的探討。薄膜的結構特性用XRD進行了分析，薄膜的表面形貌 通過原子力顯微鏡進行表征，薄膜的透射光譜用紫外.可見雙光束分光光度計進行測量，發(fā)光性質(zhì)用光柵光譜儀進行了分析。 研究結果表明利用射頻磁控濺射法工藝，在功率為100W，真空度為2×10<'-4>Pa，靶基距為70mm左右，濺射時間為60分鐘，基片為單面拋光的 (100硅片，基片溫度200、氬氧比為2：3的條件下得到了結晶質(zhì)量良好的ZnO薄膜；通過退火可以使薄膜應力得到馳豫，

22、降低缺陷濃度，改善薄膜的結 構特性。本實驗采用射頻磁控濺射的方法，探索出制備ZnO薄膜的最佳工藝條件，最終在(100硅襯底基片上制備出了較高c軸取向的ZnO薄膜。但是由于 試驗條件限制，在發(fā)光試驗的測試中，我們只觀察到了在350nm處的一個明顯的發(fā)射峰和在480nm處的微弱的峰，對此本文也進行了探索性分析。 8.期刊論文 宋學萍.周旭.孫兆奇.SONG Xue-ping.ZHOU Xu.SUN Zhao-qi 射頻磁控濺射ZnO薄膜的結構和應力特性 -合肥工業(yè)大學學報（自然科學版）2007,30(9 用JGP560I型超高真空多功能磁控濺射儀在Si(111襯底上制備了ZnO薄膜.采用X-Ray

23、衍射儀和電子薄膜應力分布測試儀等對其微結構和應力進行了測 試分析.研究結果表明,ZnO薄膜具有良好的c軸擇優(yōu)取向;隨著薄膜厚度的增加,薄膜中的平均應力減少;膜厚為744 nm時平均應力、應力差均最小,分別為 5.973×108 Pa、6.159×108 Pa,應力分布較均勻. 9.學位論文 顧金寶 ZnO薄膜的制備與性能研究 2007 ZnO薄膜是一種具優(yōu)良的壓電、光電、氣敏、壓敏等性質(zhì)的材料,在透明導體、發(fā)光元件、太陽能電池窗口材料、光波導器、單色場發(fā)射顯示器材料 、高頻壓電轉換、表面聲波元件、微傳感器以及低壓壓敏電阻器等方面具有廣泛的用途.ZnO薄膜的制備方法多樣,各具

24、優(yōu)缺點,而薄膜性質(zhì)的差異不僅取 決于不同的摻雜組分,并與制備工藝緊密相關.本文研究采用兩種不同的方法制備ZnO薄膜:一是采用射頻磁控濺射制各ZnO薄膜;二是采用離子束濺射鋅膜 然后在氧氣氛爐中退火氧化制備ZnO薄膜. 第一章介紹了ZnO薄膜的晶體結構、制備方法、性能以及關于ZnO薄膜的國內(nèi)外的研究進展概況. 第二章研究射頻磁控濺射和離子束濺射制備ZnO薄膜.內(nèi)容包括射頻磁控濺射的基本原理和離子束濺射的基本原理,射頻磁控濺射ZnO薄膜制備的基本 過程,離子束濺射制備ZnO薄膜的過程. 第三章研究射頻磁控濺射工藝參數(shù)以及退火工藝對ZnO薄膜結構、形貌的影響.工藝參數(shù)方面主要是通過對沉積時間分別為30min和60min的ZnO薄膜的 結構與形貌進行對比分析,發(fā)現(xiàn)隨著濺射時間的增加,薄膜的結晶性得到改善,顆粒尺寸增加,薄膜表面粗糙度降低,其次退火工藝方面研究了未退火的 ZnO薄膜和經(jīng)600退火的ZnO薄膜結構與形貌上的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火處理的ZnO薄