溶胶凝胶法制备W、Ti掺杂氧化锌薄膜及其性能研究

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氧化锌是一种直接带隙宽禁带Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有较大的激子束缚能,可以在室温下实现紫外光的受激发射,为短波长发光器件应用提供了广阔的发展前景。ZnO优异的特性和广泛的应用依赖于高质量,低成本的ZnO薄膜的制备。  对于宽带隙半导体而言,引入少量杂质通常能诱导明显的电学和光学特性变化。目前通过掺杂来调节或改善其性能是ZnO薄膜研究的热点之一,如在ZnO薄膜内掺入F、Al、Ti等元素都可实现n型掺杂,ZnO的电导率可以提高几个数量级;掺入Li、Na、K、N、P等元素可以实现P型掺杂;掺入Mn、Co和Cr等过渡金属元素,可以使它具有一定的铁磁性;掺杂W,Mo等高价态差金属可以提高ITO薄膜内部的价态差,改善透明导电薄膜(TCO)薄膜材料光电性。  ZnO薄膜的制备方法很多,包括磁控溅射、喷涂、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)以及溶胶-凝胶法(Sol-Gel)等。溶胶-凝胶法具有工艺设备简单,膜均匀性好、化学计量比容易控制、易掺杂、摆脱了真空系统的束缚、降低成本等优点。但现在很少有关于溶胶-凝胶法制备ZnO:(W、Ti)薄膜性能的研究报道,开展这方面的工作将是有益的探索。  本文采用过氧化氢为络合剂,以醋酸锌为前躯体,采用将过氧化氢直接加入到溶胶体系的方法制备了新溶胶,在普通玻璃上基片上生长了结晶质量较好,取向性好的ZnO本体薄膜。深入研究了过氧化氢加入对溶胶凝胶法工艺的成膜机理级成膜过程的影响,以及稳定的溶胶体系对薄膜的结晶、取向状况以及薄膜形貌等的影响,并且讨论了工艺条件变化对其薄膜性能、结构的影响规律。  运用XRD、SEM、UV-Vis、XPS、PL和DTA等分析技术进行结果表征,通过DTA、UV-Vis和FTIR分析,验证了适量的过氧化氢加入后使得传统Zn溶胶体系中生成了锌—过氧化物来改变了常规溶胶的内部组成,也改变了溶胶凝胶工艺制备ZnO薄膜的成膜过程。过氧化氢加入延长了溶胶体系的稳定性,提高了溶胶的成模性。XRD和SEM结果显示,新溶胶所制备的薄膜具有较好的结晶性并呈现均匀致密的形貌。PL谱测试结果表明,过氧化氢加入的新溶胶所制备的薄膜显示较强的蓝绿光发射峰。  在上述方法的基础上,采用过氧化氢为络合剂制备新溶胶的方法,分别以过氧化钨、过氧化钛为钨源、钛源,成功制备了W、Ti掺杂ZnO薄膜,系统的研究了掺杂对ZnO薄膜性能、结构的影响。XPS数据显示在ZnO:(W、Ti)薄膜中,W、Ti成功掺入到ZnO薄膜体系中;XRD表明:W,Ti掺杂入ZnO薄膜中,并没有没有改变ZnO的六角纤锌矿晶格结构。实验结果表明,ZnO:(W、Ti)多晶薄膜的电学和光学特性与掺杂量、薄膜层数、薄膜厚度等工艺参数密切相关。此种掺杂方法改善了原有的溶胶凝胶工艺只能掺杂可溶性盐的掺杂方式,避免了Cl-1,NO3-1等离子的加入,实现了金属掺杂ZnO薄膜的无杂质掺杂。这种方法将适用于溶胶凝胶法制备金属过氧化物掺杂的ZnO薄膜,为制备高质量的ZnO掺杂薄膜提供了一种新的途径。
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