磁控濺射法制備摻雜ZnO功能薄膜材料

1、姓名： 嚴(yán)希演 班級(jí)：應(yīng)用物理071 學(xué)號(hào)： 成績(jī)： 材料物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 年 月 日實(shí)驗(yàn)名稱 磁控濺射法制備摻雜ZnO功能薄膜材料 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握多靶磁控濺射鍍膜機(jī)的使用方法，利用多靶磁控濺射鍍膜機(jī)制備摻雜ZnO薄膜。2、 熟悉常用的材料表征方法表征薄膜結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能。3、 培養(yǎng)學(xué)生自主動(dòng)手及創(chuàng)新能力。 實(shí)驗(yàn)儀器磁控濺射濺射法沉積薄膜的原理是：利用被電離的離子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向?yàn)R射的靶電極，在入射離子能量合適的情況下，將靶表面的原子濺射出來。這些被濺射出來的原子將帶有一定的動(dòng)能，并且會(huì)沿著一定的方向射向基片，從而實(shí)現(xiàn)在基片上沉積薄膜。實(shí)現(xiàn)薄膜沉

2、積第一步就是氣體分子在電場(chǎng)中輝光放電。被電離的正離子（一般是Ar3+）在電場(chǎng)的作用下，向靶陰極加速運(yùn)動(dòng)，具有高能量的離子到達(dá)靶陰極轟擊靶材，將靶源材料以原子或分子的狀態(tài)濺射出來，被濺射出來的具有高能量的粒子沉積到基片上，形成薄膜。2、摻雜ZnO薄膜ZnO是直接帶隙寬禁帶氧化物半導(dǎo)體，常溫下禁帶寬度為3.37 eV，且束縛激子能高達(dá)60 meV，具有良好的催化性、壓電性、光電性、氣敏性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種新型的光電材料。ZnO之所以具有優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)特性，與它自身結(jié)構(gòu)有著必然的聯(lián)系。ZnO與GaN的晶體結(jié)構(gòu)相同，均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO的晶體結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，是由氧的六角密堆積和鋅的六角密堆積

3、反向嵌套而成的，每個(gè)鋅原子都位于4個(gè)相鄰的氧原子形成的四面體間隙中，但只占其中半數(shù)的氧四面體間隙；氧原子的排列情況與鋅原子相同，也只占其中半數(shù)的鋅四面體間隙，因而這種結(jié)構(gòu)比較開放。這種結(jié)構(gòu)的ZnO具有較高的透明性（可見光范圍內(nèi)平均透過率在90以上）和較高的電阻率（高于106·cm）。ZnO的這種比較開放的晶體結(jié)構(gòu)決定了它易實(shí)現(xiàn)摻雜，并且少量的摻雜不會(huì)影響ZnO的晶體結(jié)構(gòu)。ZnO 的六角密堆積結(jié)構(gòu)ZnO屬于直接帶隙半導(dǎo)體。只有用能量大于其光學(xué)帶隙的光子（波長(zhǎng)約為368 nm的紫外光）照射ZnO薄膜材料時(shí)，薄膜中的電子才會(huì)吸收光子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生強(qiáng)烈的光吸收。所以ZnO只對(duì)368

4、nm以下的紫外光產(chǎn)生吸收，而對(duì)波長(zhǎng)大于368 nm的可見光則有很高的透過性，可見光范圍內(nèi)的平均透過率可高達(dá)90%以上3。ZnO薄膜的發(fā)光機(jī)制是被激發(fā)的電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的。參與量子躍遷的能級(jí)不同，其發(fā)出的熒光也就不同。ZnO薄膜的本征發(fā)光是從導(dǎo)帶到價(jià)帶的躍遷而產(chǎn)生的紫外發(fā)光，關(guān)于ZnO薄膜的藍(lán)色發(fā)光、綠色發(fā)光、紅色發(fā)光等也已見報(bào)道。這些發(fā)光是由ZnO薄膜中存在的本征缺陷引起的。ZnO材料的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有高達(dá)60 meV的激子束縛能，如此高的束縛能使得它在室溫下穩(wěn)定、不易被熱激發(fā)（室溫下的分子熱運(yùn)動(dòng)能為26 meV），從而降低了室溫下的激射閾值，提高了ZnO材料的激發(fā)發(fā)射效率。因

5、此ZnO薄膜在發(fā)光器件方面有著廣泛的應(yīng)用。在ZnO薄膜中摻雜Al元素形成the Al-doped ZnO (ZAO)薄膜。ZAO薄膜由于其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性能“透明、導(dǎo)電”而倍受人們的青睞。與In2O3Sn（ITO）薄膜相比，它們具有原材料的自然界儲(chǔ)量豐富、易于制造、成本低廉、無毒、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，其必將成為新一代透明導(dǎo)電氧化物薄膜的代表。目前，這類薄膜沒有形成商業(yè)化生產(chǎn)的主要原因是工業(yè)化大面積生產(chǎn)制備技術(shù)還不過關(guān)，制備工藝的可重復(fù)性、可靠性及成膜質(zhì)量的均勻性都較差，人們還沒有找出最佳的制備工藝參數(shù)。通過對(duì)其制備技術(shù)及工藝的研究，分析制備工藝與組織結(jié)構(gòu)及光、電性能的關(guān)系，探

6、索穩(wěn)定、可靠、可重復(fù)的最佳制備工藝，獲得均勻的薄膜，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。在ZnO薄膜中摻雜Mn元素形成ZnMnO(the Mn-doped ZnO)薄膜。在光電子器件制備中，調(diào)制各組成層的光學(xué)常數(shù)和帶隙寬度而又保持晶格常數(shù)彼此接近對(duì)于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、量子阱及超晶格是非常重要的。人們嘗試在 ZnO中摻雜其它元素以獲得新的功能材料。ZnMnO材料就是其中的一種，類似于ZnO材料，它可以用來與ZnO構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、量子阱和超晶格。ZnMnO的帶隙可以通過改變Mn含量從3.2eV增加到3.7eV，而c軸晶格常數(shù)的變化僅為0.9%,，這是由于Mn 2+半徑與Zn2半徑相近, Mn2

7、+替代晶格中的Zn2+后不會(huì)引起晶格常數(shù)明顯變化，從而保證器件各組成層的晶格匹配。由此可見，ZnMnO薄膜可以直接作紫外發(fā)光材料。另外，2000年，Dietl用平均場(chǎng)理論預(yù)言ZnO摻Mn在室溫下具有鐵磁性。自從該工作發(fā)表以來，Mn摻雜ZnO體系引起了研究人員強(qiáng)烈的興趣，成為稀磁半導(dǎo)體領(lǐng)域重點(diǎn)研究的材料之一。ZnO中摻雜過渡金屬離子Mn有可能獲得稀磁半導(dǎo)體 (DMS)，一旦獲得成功，將會(huì)增加半導(dǎo)體材料的使用維度，可以同時(shí)利用電子的電荷和自旋屬性，可廣泛應(yīng)用于未來的自旋電子器件，它們的特點(diǎn)是速度更快，體積更小，功耗更低，穩(wěn)定性更好。1、試粉體試樣粒度一般為100300 納米之間；聚合物可切成碎塊或

8、碎片；纖維狀試樣可截成小段或繞成小球；金屬試樣可加工成碎塊或小粒。采用精密天平稱取1030mg 的樣品裝入陶瓷坩堝。（試樣體積一般不超過坩堝容積的五分之四，對(duì)于加熱時(shí)發(fā)泡試樣不超過坩堝容積的二分之一或更少，或用氧化鋁粉末稀釋，以防發(fā)泡時(shí)溢出坩堝）。坩堝裝樣后，可在桌面輕墩幾下，防止裝樣時(shí)灑落樣品。2、裝爐：雙手輕輕抬起加熱爐（注意用力均勻），然后以左手為中心，右手輕輕旋轉(zhuǎn)爐子，露出等臂天平。左手輕扶爐子，用左手拇指扶著右手拇指，防止右手抖動(dòng)。用右手將參比物放在天平左邊的托盤，測(cè)量物放在右邊的托盤。最后雙手輕輕放下爐體，5min 后，待爐膛溫度均勻后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3、打開電腦，運(yùn)行熱分析軟件

9、?！拔募薄靶虏杉?設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，包括升溫速度，加熱溫度（最高溫度為1450），保溫時(shí)間等。若需階梯升溫，繼續(xù)點(diǎn)擊添加，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。確認(rèn)后即可自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，打開冷卻水，對(duì)爐體降溫。若需氣體保護(hù)，則在裝樣后測(cè)量前至少通1h 保護(hù)氣，以排盡爐內(nèi)空氣。4、當(dāng)試樣達(dá)到預(yù)置的終止溫度時(shí)，測(cè)量自動(dòng)停止，然后保存數(shù)據(jù)。待爐溫冷卻后，在關(guān)機(jī)，關(guān)冷卻水，關(guān)氣瓶。5、進(jìn)入分析界面，打開所測(cè)試的文件，選擇感興趣的項(xiàng)目進(jìn)行分析，最后進(jìn)行打印存盤。6、多選取幾個(gè)試樣，放在8401-2(AX) 高溫烘箱中進(jìn)行不同溫度的退火，取出重復(fù)以上步驟，畫出經(jīng)過不同溫度下熱處理試樣的DTA曲線。實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)中所使用的靶材是超純Zn（99.99%）靶和一些不規(guī)則的錳片，鋅靶的直徑是50 mm，厚度為5 mm。將靶材表面打磨平整，并用N2氣凈后放置在靶臺(tái)，再在靶材上面間隔均勻地放置錳片，摻雜的濃度由錳片的數(shù)量來控制，最后用壓蓋旋緊固定。3、 抽真空過程純度為99.9 %的氬氣和氧氣分別作為濺射和反應(yīng)氣體,各自的流量和總壓強(qiáng)分別由質(zhì)量流量計(jì)和壓強(qiáng)控制儀來控制，并分別被送至靶和襯底附近。濺射之前應(yīng)當(dāng)調(diào)整好Ar、O2的比率。當(dāng)達(dá)到要求的工作真空度以后，就可以進(jìn)行正常的濺射制備加工ZnMnO薄膜。確 數(shù)據(jù)記錄與結(jié)論分析指導(dǎo)老師 思考與收獲材料物理實(shí)