ZnO薄膜的光電性能及應(yīng)用

1、姜鵬峰 167221592017.2.24目錄目錄ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介ZnO薄膜的光電性質(zhì)薄膜的光電性質(zhì)光電性質(zhì)的影響因素光電性質(zhì)的影響因素ZnO薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介 氧化鋅是氧化鋅是寬禁帶寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的禁半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度約帶寬度約3.3eV ，大于可見光的光子能，大于可見光的光子能3.10eV ，因此在可見光波段因此在可見光波段( 400nm800nm) ZnO的的透透射率射率很高。很高。 此外，此外， ZnO的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有高高60meV的激子束縛能，使激子在室溫穩(wěn)定的激子束縛能，使激子在室溫穩(wěn)定存在，能夠存在，能夠?qū)?/p>

2、現(xiàn)高效的實(shí)現(xiàn)高效的室溫激子復(fù)合室溫激子復(fù)合發(fā)光。發(fā)光。ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介 ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介寬禁帶量子效應(yīng)電極電極修飾藍(lán)綠、藍(lán)紫、紫外藍(lán)綠、藍(lán)紫、紫外LED白光白光LED、OLED柔性柔性O(shè)LED等發(fā)光器件等發(fā)光器件OPB，復(fù)合，復(fù)合OPBTFTLED、OLED等等薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池電致發(fā)光光致發(fā)光陽(yáng)極陰極增加光吸收增加光出射ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介 ZnO的光致發(fā)光譜通常有紫外發(fā)射帶和可見光發(fā)射帶。紫外發(fā)射帶是來(lái)自于近帶邊的發(fā)射，是由于激子的復(fù)合?？梢姽獍l(fā)射帶通常與缺陷或雜質(zhì)有關(guān)的深能級(jí)有關(guān)。 極性較強(qiáng)的半導(dǎo)體材料，由于導(dǎo)帶自由電子和價(jià)帶自由空穴之間的庫(kù)

3、侖作用，使它們束縛在一起構(gòu)成激子，在半導(dǎo)體材料可以自由移動(dòng)的叫做自由激子。由于電子的有效質(zhì)量小于空穴的有效質(zhì)量，自由激子的結(jié)構(gòu)中，電子圍繞空穴旋轉(zhuǎn)，與氫原子類似。 ZnO薄膜主要用于薄膜主要用于太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池，它與之前所，它與之前所用的用的氧化銦錫氧化銦錫( ITO) 和和二氧化錫二氧化錫透明導(dǎo)電薄膜透明導(dǎo)電薄膜相比，具有相比，具有生產(chǎn)成本低生產(chǎn)成本低，無(wú)毒無(wú)毒，穩(wěn)定性高穩(wěn)定性高( 特特別是在氫等離子體中別是在氫等離子體中) ， 對(duì)促進(jìn)廉價(jià)太陽(yáng)電池對(duì)促進(jìn)廉價(jià)太陽(yáng)電池的發(fā)展具有重要意義的發(fā)展具有重要意義 。 ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介真空蒸發(fā)鍍膜法真空蒸發(fā)鍍膜法磁控濺射鍍

4、膜法磁控濺射鍍膜法射頻反應(yīng)電子鍍法射頻反應(yīng)電子鍍法脈沖激光沉積脈沖激光沉積( PLD)分子束外延分子束外延金屬有機(jī)物化學(xué)氣相金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積沉積( MOCVD)化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法噴射熱解法噴射熱解法溶膠凝膠法溶膠凝膠法制備方法制備方法化學(xué)法化學(xué)法物理法物理法ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介sol-gel methodZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介sol-gel method：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，容易摻雜，可以制備大面積的薄膜，成本低。：燃燒不完全會(huì)殘留炭，以及化學(xué)原料中引入的。ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介Examples of zinc oxide structure 寬帶隙使ZnO在可見光波段(40

5、0800nm)有高達(dá)80%的光學(xué)透過(guò)率，ZnO材料高激子結(jié)合能使其在室溫下的受激輻射能在較低閾值出現(xiàn)，是一種理想的紫外光發(fā)射材料。ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介ZnO薄膜的光電性質(zhì)薄膜的光電性質(zhì) 純凈的理想化學(xué)配比的ZnO由于帶隙較寬，是絕緣體，而不是半導(dǎo)體，但是由于本身的缺陷，如氧空位、鋅填隙等施主缺陷，使其常常表現(xiàn)出N型導(dǎo)電。 在ZnO晶體的空位形成過(guò)程中，由于形成氧空位所需的能量比形成鋅空位所需的能量小，因此，在室溫下ZnO材料通常是氧空位，而不是鋅空位。而氧空位產(chǎn)生了2價(jià)施主，使其表現(xiàn)出N型導(dǎo)電。同時(shí)根據(jù)自補(bǔ)償原理，氧空位的濃度和氧填隙的濃度之積是常數(shù)，當(dāng)氧空位的濃度很大時(shí)，氧填隙的濃度很小。

6、鋅空位的濃度較小，而鋅填隙的濃度則較大，因此，當(dāng)在ZnO的晶體中氧空位占主導(dǎo)時(shí)，表現(xiàn)出N型導(dǎo)電。ZnO薄膜的光電性質(zhì)薄膜的光電性質(zhì)ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介ZnO薄膜的光電性質(zhì)薄膜的光電性質(zhì) ZnO高熔點(diǎn)的物理特性，具有很好的熱化學(xué)穩(wěn)定（1975）。ZnO薄膜可在低于600下獲得，有利于降低設(shè)備成本，可大大減少高溫制備條件下產(chǎn)生的缺陷，提高薄膜質(zhì)量。 ZnO是至今為止-族半導(dǎo)體材料中最硬的一種，機(jī)械性能優(yōu)良。ZnO薄膜簡(jiǎn)介薄膜簡(jiǎn)介ZnO薄膜的光電性質(zhì)薄膜的光電性質(zhì) ZnO的光致發(fā)光譜通常有紫外發(fā)射帶和可見光發(fā)射帶。紫外發(fā)射帶是來(lái)自于近帶邊的發(fā)射，是由于激子的復(fù)合?？梢姽獍l(fā)射帶通常與缺陷或雜質(zhì)有關(guān)的

7、深能級(jí)有關(guān)。 極性較強(qiáng)的半導(dǎo)體材料，由于導(dǎo)帶自由電子和價(jià)帶自由空穴之間的庫(kù)侖作用，使它們束縛在一起構(gòu)成激子，在半導(dǎo)體材料可以自由移動(dòng)的叫做自由激子。由于電子的有效質(zhì)量小于空穴的有效質(zhì)量，自由激子的結(jié)構(gòu)中，電子圍繞空穴旋轉(zhuǎn)，與氫原子類似。 為分析ZnO薄膜的綜合光電特性，引入品質(zhì)因子作為量化ZnO薄膜綜合光電特性的指標(biāo)：式中FTC ,RS,T 分別為樣品的品質(zhì)因子，方塊電阻,透光率。其中的取值為樣品在360 960 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透光率。FTC的值越大,樣品的綜合性能越好 .ZnO薄膜的光電性質(zhì)薄膜的光電性質(zhì)ZnO薄膜的光電性質(zhì)薄膜的光電性質(zhì) 蒸發(fā)鋁膜、導(dǎo)電漆膜、印制電路板銅箔膜等薄膜狀導(dǎo)

8、電材料，衡量它們厚度的最好方法就是測(cè)試它們的方阻。什么是方阻呢？方阻就是方塊電阻，指一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊之間的電阻，如圖所示，即B邊到C邊的電阻值。方塊電阻有一個(gè)特性，即任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的，不管邊長(zhǎng)是1米還是0.1米，它們的方阻都是一樣，這樣方阻僅與導(dǎo)電膜的厚度等因素有關(guān)。光電性質(zhì)的影響因素光電性質(zhì)的影響因素退火溫度沉積溫度 溫度能對(duì)反應(yīng)分子起到活化作用,對(duì)形成良好的晶體有很大的影響。用改進(jìn)的CVD法制備ZnO薄膜, 要SiO2表面從390到550不同條件下沉積ZnO薄膜, 均能得到C軸取向一致的ZnO薄膜,但溫度不同, 其取向度不同,襯底溫度為550時(shí), 結(jié)晶狀

9、況最好。光電性質(zhì)的影響因素光電性質(zhì)的影響因素 1.退火處理退火處理可以可以改善改善ZnO膜的形貌，從膜的形貌，從AFM和和SEM圖像顯而易圖像顯而易見。見。氧化鋅薄氧化鋅薄膜在可見波長(zhǎng)范圍內(nèi)膜在可見波長(zhǎng)范圍內(nèi)有高達(dá)有高達(dá)85的光透射。的光透射。 2. XRD結(jié)果表明該膜是（結(jié)果表明該膜是（002），（），（101）和（）和（102）方向的優(yōu)先）方向的優(yōu)先取向的多晶，但是退火溫度增加到取向的多晶，但是退火溫度增加到400以上，（以上，（002）方向）方向更顯更顯著。著。因?yàn)橐驗(yàn)橥嘶鹛幚淼耐嘶鹛幚淼腪nO薄膜顯示出良好的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能薄膜顯示出良好的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能是因?yàn)槠涫且驗(yàn)槠渚哂懈饣谋砻妗?/p>

10、具有更光滑的表面。3.基于結(jié)果，可以得出結(jié)論基于結(jié)果，可以得出結(jié)論ZnO薄膜適用于太陽(yáng)能電池應(yīng)用，在薄膜適用于太陽(yáng)能電池應(yīng)用，在退火時(shí)退火時(shí)應(yīng)該應(yīng)該將帶隙調(diào)節(jié)到合適的值。將帶隙調(diào)節(jié)到合適的值。 4 .除除180沉積溫度下制備的樣品以外，其他溫度下制備的沉積溫度下制備的樣品以外，其他溫度下制備的ZnO薄膜在可見光區(qū)域的透過(guò)率均接近甚至高于薄膜在可見光區(qū)域的透過(guò)率均接近甚至高于80 。光電性質(zhì)的影響因素光電性質(zhì)的影響因素結(jié)論：結(jié)論：Because of its diverse properties, both chemical and physical, zinc oxide is widely

11、used in many areas. It plays an important role in a very wide range of applications, ranging from tyres to ceramics,from pharmaceuticals to agriculture, and from paints to chemicals.ZnO薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 ZnO薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用ZnO薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 ZnO由于它的直接帶寬禁帶3.37ev，紫外強(qiáng)烈吸收，可見光范圍可以透過(guò)，因此,在可見光區(qū)具有很高的透過(guò)率，可以制備透明導(dǎo)電薄膜。Al摻雜ZnO薄膜的電阻

12、率較低10.4Qcm，可見光透過(guò)率高大于80，有的甚至大于90。因?yàn)樗脑县S富，成本低廉，Al摻雜的ZnO薄膜將會(huì)成為ITO薄膜的替代品。 ZnO薄膜是透明導(dǎo)帶薄膜，在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透過(guò)率達(dá)90。是太陽(yáng)能電池的透明電極和窗口材料。ZnO薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用壓電薄膜傳感器示意圖 所示ZnO壓電薄膜表面微機(jī)械傳感器示意圖。這種新結(jié)構(gòu)的器件既充分發(fā)揮了表面微機(jī)械加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),又可利用ZnO材料的多功能特性，與用體微機(jī)械技術(shù)制作的集成化ZnO器件相比,可大大簡(jiǎn)化其制作工藝和減小器件尺寸,為研制集成ZnO薄膜器件提供了一種有效的手段。 近年來(lái)，短波長(zhǎng)激光器成為半導(dǎo)體激光器研究的一個(gè)熱點(diǎn)。如ZnSe基量子阱激光器。但是壽命較短，要進(jìn)一步提高，難度很大。主要是在于ZnSe是一種離子性很強(qiáng)的晶體，容易產(chǎn)生損傷，在受激發(fā)射運(yùn)行時(shí)，容易因溫度的升高而造成缺陷的大量增加。ZnO是短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料，可以制作ZnO基發(fā)光二極管，并實(shí)現(xiàn)了同質(zhì)結(jié)構(gòu)PIN結(jié)的室溫紫外電致發(fā)光，在室溫下觀察到從紫光到綠光的電致發(fā)光。 ZnO薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用ZnO薄膜的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用 右圖為ZnO薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在陶瓷、玻璃等絕緣基片上形成一對(duì)叉指的檢測(cè)電極，再在叉指電極