非平衡状态下薄膜表面形貌及相关函数研究

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非平衡态就是指系统各部分物理性质(如流速、温度、密度)不均匀的现象。本文中的非衡态主要是指薄膜生长的过程是不平衡的,薄膜在生长过程中,各种粒子之间的相互碰撞、粒子与基板碰撞发生反射、吸附及在基板上的形核与生长、岛形合成、合并与生长最后形成连续的膜层都可以看成是在非平衡态下进行的。近些年来,薄膜材料与薄膜技术得到迅速发展,各类新型薄膜材料大量涌现,薄膜制作和微细加工工艺也在不断创新。在众多的薄膜材料中,ZnO薄膜材料的应用非常广泛。ZnO是一种优良的宽带隙ⅡⅥ族n型半导体材料,其激子结合能高达60MeV,室温下易实现高效受激发射。它在室温下的稳定相是六角纤锌矿结构,通常具有(002)取向性生长。ZnO的原料廉价、无毒,性能稳定,并且容易得到,是最具开发潜力的新型功能材料之一,被广泛应用于表面声波器材、太阳能电池电极、压电器件、气体传感器、磁光器件、电光器件、新型发光材料、缓冲层等领域。由于ZnO薄膜物理化学性质非常优异,而ZnO的掺杂会使ZnO薄膜物理化学性质变的更加优异。所以,近来研究ZnO掺杂的人不断的增加,在ZnO薄膜中掺入不同的原子或离子,会改变ZnO的结构和禁带宽度,使ZnO薄膜产生新的物相,从而产生不同的理化学性质。在本论文的工作中,我们采用射频磁控溅射技术在硅衬底和石英玻璃衬底上制备出了高质量掺杂的ZnO薄膜,并采用多种分析方法对其结构、表面形貌特性进行了研究。论文主要内容如下:首先,我们研究了Er/Yb/Al的掺杂量的不同对ZnO薄膜晶体结构和表面形貌的影响。结果表明,采用射频磁控溅射技术在Si衬底上制备的ZnO薄膜,具有高的C轴取向性,而在同等条件下制备的Er/Yb/Al掺杂的ZnO薄膜,C轴取向性消失,变成了(102)取向性生长的纳米多晶薄膜。经XRD测试还表明,Er/Yb/Al掺杂的ZnO薄膜的晶粒尺寸随着Er元素含量的增多而减小,说明了Er元素的掺杂有促使晶粒变小的趋势。经AFM测试表明,室温下Er/Yb/A1掺杂的ZnO薄膜粗糙度普遍较高,薄膜质量不好。这说明了Er3+、yb3+、A13+的掺入引起了ZnO薄膜晶格场变化,使ZnO薄膜偏离了]正常生长。样品灰度是随着Er元素含量的增多而慢慢变小,平均粗糙度和均方根粗糙度也都相应的减小,这点与XRD测试结果相符合。其次,我们研究了氧氩比对Er掺杂的ZnO薄膜结构和表面形貌的影响。通过X射线衍射分析了样品薄膜的结构和结晶情况,结果表明,本实验在硅片和石英玻璃衬底上制备的Er掺杂ZnO薄膜具有高度C轴择优取向性。随着氧分压升高,薄膜的(002)衍射峰衍射强度越来越小,而FWHM值先变小,后变大,在氧氩比为4:16时最小,相应的薄膜晶粒则是最大的,根据衍射峰的强度和薄膜晶粒大小分析,Er掺杂ZnO薄膜生长的最适条件应该在氧氩比为0:16到4:16之间,估计在2:16附近。原子力显微镜测试结果表明,随着氧分压的升高,薄膜表面的粗糙度相应的变高了,在氧氩比为0:16时,虽然薄膜有最小粗糙度,但是样品中颗粒大小不一,并且颗粒与颗粒之间还夹杂有不少的孔洞,而通入氧气后这种现象减少了,与X射线衍射分析结果一致。原子力显微镜分析还表明了,我们所制备的样品薄膜的表面为高斯型随机表面。最后,我们分析了衬底温度对Er掺杂的ZnO薄膜结构和表面形貌的影响。通过X射线衍射分析了样品薄膜的结构和结晶情况,说明了本实验在硅片和石英玻璃衬底上制备出的Er掺杂ZnO薄膜具有高度C轴择优取向性。随着衬底温度的升高,薄膜的衍射强度越来越高,晶粒先变小又变大,在400℃时晶粒最大。薄膜的晶格常数也随着温度的升高而趋向于标准的晶格发展,内应力也随之减小。原子力显微镜测试结果表明,随着温度升高,薄膜表面的粗糙度先变小又变大,在温度为200℃时最小,室温时最大,而薄膜的晶粒也与粗糙度有相同的变化。薄膜的内部缺陷、边界致密性、均匀性都随着温度的升高而变的越来越好。在温度为400℃时,薄膜生长成为内部缺陷密度低、边界致密性变好、晶粒大且均匀的薄膜,与X射线衍射分析结果一致。原子力显微镜分析还表明了,我们所制备的样品薄膜的表面为高斯型随机表面。
摘要第4-6页
ABSTRACT第6-8页
第1章 绪论第11-22页
    1.1 非平衡态的简单介绍第12页
    1.2 ZnO的基本性质第12-15页
        1.2.1 ZnO的结构第12-14页
        1.2.2 Er和Yb掺杂ZnO第14-15页
    1.3 ZnO薄膜的应用第15-19页
        1.3.1 紫外光探测器第15-16页
        1.3.2 太阳能电池第16页
        1.3.3 与GaN互作缓冲层第16页
        1.3.4 气敏和压敏器件第16-17页
        1.3.5 其他用途第17-19页
    参考文献第19-22页
第二章 薄膜的制备方法第22-35页
    2.1 分子束外延第22-23页
    2.2 脉冲激光沉积第23页
    2.3 金属有机化学气相沉积第23-24页
    2.4 电子束蒸镀法第24-25页
    2.5 溶胶-凝胶法第25-26页
    2.6 磁控溅射技术第26-33页
        2.6.1 溅射基本理论第26-28页
        2.6.2 薄膜成核成长第28-30页
        2.6.3 射频磁控溅射技术第30-33页
    参考文献第33-35页
第3章 薄膜的制备及检测第35-47页
    3.1 薄膜的制备第35-37页
        3.1.1 基底的清洗第35-36页
        3.1.2 薄膜的制备第36-37页
    3.2 薄膜的检测仪器第37-46页
        3.2.1 X射线衍射仪第37-42页
        3.2.2 原子力显微镜第42-46页
    参考文献第46-47页
第4章 结果与讨论第47-75页
    4.1 Er/Yb/Al掺杂ZnO薄膜的结构与形貌的研究第47-51页
        4.1.1 实验过程第47页
        4.1.2 实验结果及分析讨论第47-51页
        4.1.3 结论第51页
    4.2 氧氩比对Er掺杂ZnO薄膜的影响第51-62页
        4.2.1 实验过程第51-52页
        4.2.2 实验结果及分析讨论第52-61页
        4.2.3 结论第61-62页
    4.3 衬底温度对Er掺杂ZnO薄膜的影响第62-73页
        4.3.1 实验过程第62页
        4.3.2 实验结果及分析讨论第62-72页
        4.3.3 结论第72-73页
    参考文献第73-75页
第5章 总结与展望第75-77页
    5.1 主要结论第75-76页
    5.2 工作展望第76-77页
后记第77-78页
攻读硕士学位期间论文发表及科研情况第78页
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