Si掺杂ZnO薄膜的制备及光学性质的研究

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ZnO是宽禁带Ⅱ-Ⅶ族半导体材料,带隙宽度约为3.37 eV,具有纤锌矿结构,属六方晶系,化学稳定性较好、材料来源丰富、价格低廉。ZnO的诸多优势决定了这种多功能半导体材料在很多领域有着极为广泛的应用前景。为了满足器件的各种要求,特别是在光电方面的要求,人们试图在ZnO中掺杂各种元素以实现对其光电性能的调制。关于ZnO带隙调节方面,已有许多文献进行了报道。但目前对于通过掺杂实现增大ZnO带隙的报道中,均是对ZnO导带进行调节以达到增大带隙的目的,因为ZnO的价带主要由O 2p态决定,能级较深,从Chris G Van de Walle等的第一性原理计算结果来看,SiO2比ZnO的价带能级更深的,通过Si掺杂有可能使得ZnO的价带向低能方向移动,若该设想能够实现,这对于实现具有高注入效率的ZnO基光发射器件具有重要意义。同时,通过Si掺杂也为ZnO可见区发光机制提供有用信息。实验利用磁控溅射方法,采用ZnO陶瓷靶,以石英为衬底,制备了不同Si掺杂浓度的样品,并在氧气氛下对样品做了不同温度的快速退火和随炉温自然退火处理,为了对比,实验采用了同样的制备方法制备了未掺杂ZnO薄膜。通过X射线衍射、拉曼光谱、光致发光光谱和吸收光谱对其结构和光学性质进行了表征。通过对X射线衍射光谱和拉曼光谱的分析可知,Si可能掺入到ZnO晶格中。通过比较未掺杂的ZnO薄膜和不同Si掺杂浓度的ZnO薄膜的光致发光光谱可知,在紫外区,Si的掺杂导致了紫外发光峰向短波方向移动,由此可以判断,Si的掺入使得ZnO带隙增大。对吸收光谱的分析亦得出该结论。Si的掺入对ZnO可见区发光也产生了重要影响。未掺杂的ZnO薄膜在700℃氧气氛下退火后,紫外发光增强,可见发光减弱,同时其可见区发光中心发生了蓝移,而Si掺杂的ZnO薄膜在退火过程中也观察到了可见发光中心蓝移现象,但随着掺杂浓度的提高,可见区发光中心发生蓝移所需要的退火温度也有所提高,表明ZnO中掺入的Si与产生ZnO可见区发光的深能级缺陷间存在较强的相互作用。
中文摘要第4-5页
英文摘要第5页
引言第8-10页
第一章 ZnO 的基本性质第10-18页
    1.1 ZnO 的晶体结构第10-12页
    1.2 ZnO 的能带结构第12页
    1.3 ZnO 的缺陷第12-14页
    1.4 ZnO 薄膜的用途第14-15页
    1.5 本文的研究目的第15-18页
第二章 ZnO 的薄膜的制备及表征手段第18-26页
    2.1 ZnO 薄膜的制备方法第18-22页
        2.1.1 电子束蒸发第18页
        2.1.2 磁控溅射法第18-19页
        2.1.3 溶胶-凝胶法第19-20页
        2.1.4 脉冲激光沉积法第20-21页
        2.1.5 化学气相沉积法第21页
        2.1.6 金属有机化学气相沉积第21页
        2.1.7 分子束外延法第21-22页
    2.2 表征手段第22-26页
        2.2.1 X 射线衍射谱第22-23页
        2.2.2 拉曼光谱第23页
        2.2.3 光致发光光谱第23-24页
        2.2.4 吸收谱第24-26页
第三章 Si 掺杂的ZnO 薄膜的制备及退火处理第26-29页
    3.1 Si 掺杂ZnO 薄膜的制备第26-27页
        3.1.1 衬底的清洗第26页
        3.1.2 薄膜的制备第26-27页
    3.2 样品的热退火第27-29页
第四章 磁控溅射法制备ZnO 薄膜的结构及光学性质研究第29-34页
    4.1 X 射线衍射第29-30页
    4.2 拉曼光谱第30页
    4.3 光致发光谱第30-32页
    4.4 紫外-可见吸收谱第32-34页
第五章 自然退火对Si 掺杂的ZnO 薄膜影响第34-46页
    5.1 X 射线衍射第34-37页
    5.2 拉曼光谱第37-39页
    5.3 光致发光谱第39-42页
    5.4 紫外-可见吸收谱第42-46页
第六章 快速退火对Si 掺杂的ZnO 薄膜影响第46-59页
    6.1 X 射线衍射第46-49页
    6.2 拉曼光谱第49-52页
    6.3 光致发光谱第52-55页
    6.4 紫外-可见吸收谱第55-59页
第七章 比较自然退火与快速退火对薄膜的影响第59-63页
    7.1 X 射线衍射第59-60页
    7.2 拉曼光谱第60-61页
    7.3 光致发光光谱第61页
    7.4 紫外-可见吸收光谱第61-63页
第八章 结论第63-64页
参考文献第64-66页
附录第66-67页
后记第67页
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