掺杂ZnO薄膜的制备工艺、光学特性及稀磁性能研究

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ZnO薄膜是优质的光电半导体材料,它具有宽带隙、介电常数低、机电耦合系数大、温度稳定性好、透光率高和化学稳定性高等特性。最近,采用磁性离子注入技术,又发现ZnO半导体在室温下具有铁磁有序性。因此,ZnO半导体成为目前最有应用潜力的新型功能材料之一。探索制备成本低、成膜质量好,并且工艺简单的成膜技术,对推动ZnO薄膜的应用具有十分重要的意义。 本文采用三种制备工艺,在硅片和玻璃基片上成功地制备出具有稀磁特性的过渡金属(Fe、Co)掺杂的ZnO薄膜。 首先采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺,以乙二醇甲醚为溶剂,醋酸锌为前驱体,乙醇胺为稳定剂,获得了均匀、透明的多晶ZnO薄膜。通过采用不同的退火方式,得到最佳的退火工艺参数。并以此工艺为基础,制备出具有稀磁特性的Zn1-xFexO(x=0.01、0.02、0.03)薄膜。 为了进一步摸索更有效的制备方法,我们尝试使用了PVA这种可溶性高分子聚合物,用于制备溶胶。探索出了一整套有效的制备方法,成功的制备了Zn1-xCoxO(x=0.08、0.12、0.18)薄膜。采用该方法制备的样品价态准确,组分精确。利用X射线衍射谱(XRD),原子力显微镜(AFM)和荧光光谱仪(PL)以及电子能谱仪(XPS)等分析方法对样品结构和性能进行了研究。结果显示,所制备的薄膜为六方纤锌矿型结构,具有高度的C轴择优取向性;膜表面均匀、致密,同时发现Co掺杂系列具有良好的发光特性。并且,在室温下测出Zn1-xCoxO薄膜具有稀磁特性。 最后我们利用电子束蒸发镀膜仪,采用锌膜氧化法制备出具有完备的纤锌矿结构的ZnO薄膜。 本文的特色在于,采用了全新的PVA方法实现了溶胶-凝胶工艺过程,精确地控制了掺杂的价态和组分,获得了成膜质量和性能都比较好的样品。这对于ZnO制备工艺的探讨具有积极的意义。并且,在实验中发现,不仅XRD谱线的峰位,随着样品掺杂含量的变化,出现规律性的移动。而且在Co掺杂的发光系列样品中,发光峰也随着掺杂含量的变化,出现了规律性的红移现象。
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