磁控濺射制備ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)及發(fā)光特性研究

1、 第9期光譜學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)果及討論2.1襯底加溫對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(jié)果。我們認(rèn)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(dāng)襯底溫度接近3

3、50時,薄膜表面出現(xiàn)了細(xì)微裂紋,表面粗糙度增大。Gupta“j等在關(guān)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(xì)微裂紋的出現(xiàn)導(dǎo)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(jié)晶質(zhì)量變好161,而當(dāng)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(xì)微裂紋而導(dǎo)致薄膜的c軸取向性變差。1.0等0.8i壹o(jì).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?？梢钥闯?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(guān)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(jié)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(xué)物理與電子工程學(xué)院,甘肅,蘭州,730070， 陳彥,張國恒,CHEN Yan,ZHANG Guohe

7、ng(西北民族大學(xué)電子材料國家民委重點實驗室,甘肅,蘭州,730030 光譜學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)報 2006(01 8.朋興平.楊揚.耿偉剛 查看詳情期刊論文-發(fā)光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)射頻磁控濺射 ZnO薄膜的兩步生長方法 -物理學(xué)報2007,5

11、6(4 利用反應(yīng)射頻磁控濺射技術(shù),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(jié)果表明 ,低溫ZnO過渡層的沉積時間所導(dǎo)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(guān).當(dāng)?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(yīng)力較大;當(dāng)?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(yīng)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(guān).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(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)長度逐漸 減小. 2.學(xué)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(jié)構(gòu)的多功能材料，為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。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(guān)注。Al摻雜的ZnO(ZAO透明導(dǎo)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(yīng)用的ITO薄膜可比擬的光 學(xué)、電學(xué)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(xué)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(dǎo)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(shù)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(xué)和電學(xué)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(jié)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(jié)晶質(zhì)量得到提高，與深能級發(fā)射

14、有關(guān)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(xué)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(xué)帶隙由于Burstein-Moss效應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體技術(shù) 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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)、 表面形貌和光電特性進行了分析表征.結(jié)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(jié)構(gòu)特 征和光電性質(zhì)的重要因素. 4.學(xué)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(xué)的各個分支中，薄膜材料科學(xué)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(xué)、傳感器和光催化等方面有著重要的應(yīng)用。 分別以高純金屬鈦、鋅為靶材，氧氣為反應(yīng)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(yīng)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(yīng)生成各自的金屬氧化物。對以射頻反應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變。金屬

17、鋅薄膜在 馬弗爐中加熱反應(yīng)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(jié)構(gòu)與光學(xué)特性 -真空電子技術(shù)2008(2 研究

18、了膜厚對ZnO薄膜微結(jié)構(gòu)和光學(xué)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(jié)果表明薄膜結(jié)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(jié)構(gòu)和性能進行了研究.所制備的ZnO是具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)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(xué)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(dǎo)體，禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能為60meV具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO薄膜具有廣泛的應(yīng)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(dǎo)電膜等。近年來，隨著短波器件的廣泛應(yīng)用，直接寬帶半導(dǎo)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(xué)界及工業(yè)部門引起了極大的關(guān)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(xué)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(yīng)的高質(zhì)量的薄膜是ZnO薄膜應(yīng)用的關(guān)鍵，同時制備成本也是必須考慮的重要因素。通常認(rèn)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(yīng)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(jié)構(gòu)特性和表面形貌的影響、對ZnO薄膜光學(xué)特性的影響，以及ZnO發(fā)光機理的探討。薄膜的結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)晶質(zhì)量良好的ZnO薄膜；通過退火可以使薄膜應(yīng)力得到馳豫，

22、降低缺陷濃度，改善薄膜的結(jié) 構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)和應(yīng)力特性 -合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)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(yīng)力分布測試儀等對其微結(jié)構(gòu)和應(yīng)力進行了測 試分析.研究結(jié)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(yīng)力減少;膜厚為744 nm時平均應(yīng)力、應(yīng)力差均最小,分別為 5.973×108 Pa、6.159×108 Pa,應(yīng)力分布較均勻. 9.學(xué)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(dǎo)體、發(fā)光元件、太陽能電池窗口材料、光波導(dǎo)器、單色場發(fā)射顯示器材料 、高頻壓電轉(zhuǎn)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(guān).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(jié)構(gòu)、制備方法、性能以及關(guān)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)與形貌上的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火處理的ZnO