ZnO薄膜及ZnO/MgO多量子阱的制备与表征

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ZnO是一种新型的宽带隙半导体材料,具有纤锌矿晶体结构,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,理论上可以实现室温下受激发射,被认为是未来紫外光发射器件的理想材料。同时ZnO具有良好的透明导电性、压电性、气敏性和压敏性,因此具有广泛应用前景,如声表面波器件、透明电极、紫外光探测器、压电器件、压敏器件和气敏传感器等。自从1997年Tang等人报导了ZnO薄膜的近紫外受激发射现象以来,ZnO再次成为当今半导体材料研究领域的热点。本文采用射频磁控溅射的方法制备了ZnO薄膜及ZnO/MgO多量子阱,利用X射线衍射分析、电子探针显微分析、原子力显微镜、透射光谱及光致发光光谱对薄膜进行了相应的分析,探讨了基片对ZnO薄膜的影响以及基片处理对ZnO多量子阱的影响。论文分为以下两个部分:Ⅰ采用射频反应磁控溅射的方法,在经过氧化处理的Al2O3(0001)基片上制备了具有良好调制结构的ZnO/MgO多层膜量子阱。XRD以及φ扫描的结果表明多层膜样品具有高c轴择优取向并且与蓝宝石基片有良好的外延关系;通过X射线反射率测量的结果得到多量子阱的调制周期,结合电子探针测得的Zn/Mg原子比求出了阱层的宽度在8.38nm至21.78nm之间;原子力显微镜测量结果表明样品的表面均方根粗糙随调制周期的减小而从6.4nm增加到21.2nm;低温光致发光光谱显示紫外发光峰对应于束缚激子的辐射复合,拟合给出激子激活能约30meV,并且在阱宽较小的样品中观测到了量子限域的斯塔克效应对应的发光峰。Ⅱ利用射频反应磁控溅射的方法,在Si(111)和YSZ(111)单晶基片上生长了具有c轴取向的ZnO薄膜,XRD测量结果显示ZnO/YSZ薄膜比ZnO/Si薄膜结晶质量有较大的提高,其中ZnO/YSZ薄膜的ZnO(002)衍射峰半峰宽为0.16°,其摇摆曲线半峰宽为0.58°,并且ZnO和YSZ基片之间的有良好的外延关系;原子力显微镜测量结果显示薄膜ZnO/YSZ的晶粒尺寸较大,而表面粗糙度也很大(16.2nm);室温光致发光光谱测量显示两个样品的紫外发光峰均位于378nm,并且薄膜ZnO/YSZ的发光强度相比ZnO/Si没有出现增强。
摘要第4-5页
Abstract第5页
引言第8-10页
1 ZnO材料综述第10-19页
    1.1 ZnO的基本性质第10-13页
        1.1.1 晶体结构第10-11页
        1.1.2 能带结构第11-12页
        1.1.3 电学性质第12页
        1.1.4 光学性质第12-13页
    1.2 ZnO的应用第13-15页
        1.2.1 短波长光电器件第13-14页
        1.2.2 透明导电膜第14页
        1.2.3 压电器件第14页
        1.2.4 压敏陶瓷第14页
        1.2.5 作为GaN的缓冲层第14-15页
        1.2.6 稀磁半导体第15页
    1.3 ZnO的制备技术第15-19页
        1.3.1 分子束外延(MBE)第15-16页
        1.3.2 脉冲激光沉积(PLD)第16-17页
        1.3.3 化学气相沉积(CVD)第17-18页
        1.3.4 磁控溅射第18页
        1.3.5 溶胶—凝胶法(soe-gel)第18-19页
2 薄膜样品的制备及分析第19-29页
    2.1 样品的制备方法第19-22页
        2.1.1 磁控溅射的基本原理第19-21页
        2.1.2 所用设备简介第21-22页
    2.2 分析方法简介第22-29页
        2.2.1 电子探针显微分析(EPMA)第22-24页
        2.2.2 原子力显微镜(AFM)第24-25页
        2.2.3 X射线衍射(XRD)第25-27页
        2.2.4 光致发光(PL)光谱第27-28页
        2.2.5 透射光谱第28-29页
3 ZnO多层膜量子阱的制备与表征第29-41页
    3.1 ZnO/MgO多量子阱的制备及分析方法第30-31页
        3.1.1 ZnO/MgO多量子阱的制备方法第30-31页
        3.1.2 ZnO/MgO多量子阱的表征第31页
    3.2 结果与分析第31-40页
        3.2.1 结构表征及形貌分析第31-37页
        3.2.2 光学性质研究第37-40页
    3.3 本章小结第40-41页
4 YSZ基片上生长的ZnO薄膜结构及性能研究第41-47页
    4.1 ZnO薄膜的制备及分析方法第42页
        4.1.1 ZnO薄膜的制备方法第42页
        4.1.2 ZnO薄膜的表征第42页
    4.2 结果与分析第42-46页
        4.2.1 结构和形貌分析第42-45页
        4.2.2 光学性质研究第45-46页
    4.3 本章小结第46-47页
结论第47-48页
参考文献第48-52页
攻读硕士学位期间发表学术论文情况第52-53页
致谢第53-55页
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