柔性ZnO薄膜光学特性应变调控研究

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柔性器件由于具有优异的力学性质,使得越来越多的器件开始向柔性化方向发展。ZnO作为一种宽禁带半导体材料,其可见光范围透明性好,掺杂后导电性高,被广泛地应用于柔性晶体管等柔性器件中。一方面,这些基于ZnO薄膜的器件在制备和使用过程中经常受到拉伸,弯曲等力学作用,对薄膜器件的稳定性、可靠性具有重要影响。同时利用这些力学响应行为对材料特性进行调控,可以改善薄膜的性质,进而提高器件性能。本文以拉伸、弯曲等应变加载的方法对柔性ZnO薄膜光学性质进行调控,结合实验与理论计算结果,对柔性ZnO薄膜光学性质展开研究。主要的研究内容如下:(1)研究了柔性ZnO薄膜的测量与表征方法。阐述了XRD测量的原理,以及利用XRD测量获得薄膜应变的方法。进一步完善了基于穆勒矩阵光谱的各向异性薄膜光学特性模型与表征方法,并运用所提方法成功提取了柔性基底PET的光学常数。(2)通过单向拉伸的方法,对加载条件下磁控溅射生长柔性ZnO薄膜光学性质开展表征实验研究。首先,利用自制应变-椭偏光学测量实验装置研究了柔性基底PET的应变-光学特性,揭示了应变加载影响分子取向排列进而作用于基底光学各向异性的机理,为后续ZnO薄膜光学表征提供了基础。其次,利用XRD对ZnO薄膜拉伸过程开展原位测量分析,获取ZnO薄膜在拉伸作用下的应力应变。最后应用应变-椭偏光学测量实验装置对拉伸过程中ZnO薄膜的光学性质进行原位测量,得到ZnO薄膜折射率随拉伸应变的变化关系。(3)弯曲应变对ZnO薄膜的光学常数和光学带隙的调控作用研究。利用磁控溅射技术在预弯曲的柔性基底上生长ZnO薄膜,使薄膜内产生可调应变。使用穆勒矩阵椭偏仪获得了弯曲应变下ZnO薄膜的光学常数和光学带隙,给出了应变与折射率以及应变与光学带隙之间的关系,进一步分析阐明了弯曲应变对ZnO薄膜的调控作用与机理。利用第一性原理计算方法对单轴应变下ZnO的能带结构、能带宽度以及光学常数进行了研究。理论计算结果与实验结果的一致性,很好地证明了实验结果的准确性、可靠性。本文的实验现象和理论计算结果可以为力学行为对柔性薄膜器件在制备过程以及使用过程中的影响提供实验及理论指导思路,促进应变工程在柔性纳米薄膜光电性能调控中的研究应用,从而提高柔性薄膜器件的可靠性、稳定性,改善柔性器件的使用性能。
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