ZnO薄膜的制备、掺杂工艺研究

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本征ZnO是一种高阻半导体,掺杂Al后的ZAO(ZnO:Al)电阻率大大降低。ZnO及其ZAO薄膜是光学透明薄膜,具有优异的光电特性,在太阳能电池、压电器件、液晶显示、反射热镜、紫外与红外光阻挡层及气体敏感器件等方面应用前景看好。ZnO薄膜材料本身无毒性,制备温度低,工艺相对简单,易于实现掺杂,各种制备方法所用的原料都易得、价廉,随着其性质研究的深入,应用领域将不断扩大。因此,要探索新的制备方法,研究多因素之间的交互影响、衬底表面化学反应机理、气体流动状态和传热传质过程,以获得更优的ZnO具有重要意义。本论文探索了一种新的ZnO和ZAO薄膜的制备方法。通过分析比较ZnO薄膜的各种制备技术,采用自行研制的电源,结合中频等离子体化学气相沉积(MF-PECVD)和喷雾热解法各自的优点制备了ZnO及ZAO薄膜,同时研究了样品的光学性质以及ZnO薄膜的光催化作用。 探索了ZnO薄膜的制备、最佳工艺参数并对其性能进行了表征。通过XRD、IR、XPS、UV-Vis、椭圆偏振仪等检测仪器对ZnO薄膜的各项品质进行了检测。 结果表明:衬底上沉积了ZnO薄膜。沉积薄膜后载玻片的透射率曲线图表明,此膜在370nm附近出现一个吸收峰,计算出的能带隙宽度为3.3eV,这与ZnO膜的禁带宽度一致。IR谱表明,薄膜中有Zn2+存在,说明ZnO的存在。XRD检测表明,载玻片上沉积有纤锌矿型ZnO。 沉积薄膜可见光平均透射率可达87%以上;反应室总气压对薄膜吸光度影响较大,沉积时间和锌源温度对薄膜吸光度影响较小;衬底温度、总气压、锌源浓度影响成膜速率;衬底温度400℃时沉积薄膜接近无色,取向性好,表面均匀,附着力好;衬底温度是薄膜C轴高度取向生长的敏感因素;ZnO薄膜光催化降解甲基橙有一定效果。 探索了ZAO薄膜的制备。利用正交设计法设计实验,考察衬底温度、锌源浓度、沉积时间、掺杂量对ZAO薄膜透射率的影响。通过UV-Vis对ZAO薄膜的透射率进行检测。 结果表明:MF-PECVD法制备ZAO薄膜时,影响薄膜透射率的主要因素为:掺杂量、沉积时间。次要因素为:锌源浓度、衬底温度。最优组合方案为:衬底温度350℃、锌源浓度0.5mol/l,沉积时间90min、掺杂量1at.%。 最后比较了ZnO与ZAO薄膜透射率的差异,并从理论上给出了初步的解释。
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