Al<'3+>/Ni<'2+>掺杂ZnO薄膜红外性能的研究

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ZAO(掺铝氧化锌)薄膜由于其宽禁带特性、导电特性而有重要应用,对其红外波段特性的研究更是人们研究的一个热点。本文采用溶胶-凝胶的方法合成了透明的溶胶,以石英玻璃为衬底,采用浸涂的方法制备了ZAO薄膜。对其不同条件下的结构特性、表面形貌、可见光透过率以及红外发射率进行了研究。得到如下结论: 1、XRD分析发现ZAO薄膜具有ZnO的六方纤锌矿结构,衍射峰和晶面间距发生了变化,随掺杂浓度的升高(低于10mol%时)衍射峰向大角度移动,晶面间距变小,无Al2O3或Al等其他的杂相出现,并呈现出明显的沿(002)方向择优生长的特性;掺杂浓度为15mol%的薄膜中出现了一些异常长大的六边形氧化锌颗粒,说明高掺杂下氧化锌晶粒的生长受到了明显的抑制; 2、热处理温度(500-800℃)对ZAO薄膜的结晶质量有明显的影响,SEM图显示退火温度为500℃时晶粒小而不规则,700℃时晶粒生长有序,薄膜结晶质量好,择优生长特性最佳,达到800℃时,晶粒生长饱满,甚至出现二次结晶现象,导致材料晶粒均匀性变差,有较大颗粒出现,缺陷增多;ZAO薄膜在可见光波段(400-780nm)的透过率约为80%,其中热处理温度为700℃时可见光透过率达到90%; ZAO薄膜在8-14um的红外发射率随热处理温度的增加先下降后上升,其中在700℃时的红外发射率最低,数值为0. 731; 3、随着掺杂浓度的升高(0mol%,3mol%,6mol%,9mol%),XRD显示其择优生长特性先变强后变弱,当掺杂浓度为6mol%时其择优生长特性达到了最大,而在9mol%时下降;ZAO薄膜在可见光波段(400-780nm)的透过率随掺杂浓度的升高有下降的趋势,9mol%时为50%; ZAO薄膜在8-14um的的透过率随着掺杂浓度的升高先增大后减小,掺杂浓度为6mol%的薄膜在8-14μm波段的透过率达到78%;随掺杂浓度的升高8-14μm红外发射率先下降后上升,6mol%时最低为0.731(热处理温度为700℃); 5、薄膜浸涂一次(约80nm)时晶粒生长不完全,比较分散,颗粒形状不规则,表面粗糙,其红外发射率高达0. 811;随厚度的增加(μm量级),晶粒排列有序,结晶质量变好,红外发射率基本稳定在0. 735左右。 最后,依据磁性纳米离子所具有的优良吸波特性,尝试了用相同的方法制备了镍掺杂ZnO薄膜,结果表明Ni掺杂的氧化锌薄膜具有择优生长特性,不同热处理温度对其结晶性能影响很大,600℃时晶粒规则有序,在可见光波段及红外波段具有较高的透过率,但其红外发射率较高,均达0.8以上。
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