溶胶—凝胶法制备氧化锌薄膜及其光电性能

溶液-凝胶法制备ZnO薄膜.doc

导师：李旭

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一 名称 中文名称：氧化锌 中文别名：白铅粉、锌白 英文别名：ZincOxide(AS),Philosopher’swool ,Chinesewhite,C.I.Pigmentwhite4, C.I.77947 CAS:

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二 性状 白色、浅黄色粉末，无气味，味苦，在正常压 力下能升华，能吸收空气中的二氧化碳。加热 至300℃色变黄，但冷却后又成白色。溶于稀 乙酸、矿酸、氨水、碳酸铵和氢氧化碱溶液， 几乎不溶于水。相对密度5.67(六方结晶), (d204)5.607。熔点1800℃以上。折光率 (nD)2.0041(2.0203)。

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三 氧化锌的主要物理参数

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与大多数的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体一样， ZnO具有六方纤锌矿型结构或立方闪锌矿型结 构，均属六方品系空间群。室温和常压下， ZnO的热稳定性相为六方纤锌矿结构。当压强 达9Gpa左右时，纤锌矿结构的ZnO转变为四方 岩盐结构，近邻原子数由4增到6,体积相应缩 小17%。而立方闪锌矿型结构的ZnO只有在具有 立方结构的衬底上生长才有可能得到如图1-1 (b)所示的品体结构。

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由于ZnO具有较大的微电子束缚能，特别是 GaN比较而言(ZnO为60meV,GaN为25meV), 因此，作为发光材料，ZnO比GaN发光更明亮，使 得ZnO在光电器件方面的应用吸引了科研人员更大 的注意。另外，由于ZnO激子具有很好的稳定性， 成为在室温下实现激子有效激发的材料。 在发光特性方面，对ZnO材料的研究已经从本 征发光扩展到稀土元素掺杂发光以及电致发光等方 面。对于ZnO薄膜发光特性，一般观察到的发光峰 主要有380nm外的近紫外发光峰和510nm处的绿光 峰。大多数研究者认为，380nm的近紫外峰来源于 带边激子跃迁，而510nm处的绿光峰来源于氧空位。

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图6是In掺杂ZnO薄膜的光致发光谱。 掺InZnO薄膜的PL谱中的蓝紫发 射双峰来源于In掺杂所引入的In替位杂质 和锌空位缺陷。 ZnO材料作为一种很有前途的光伏材 料，对其研究也很多。张金星等在InZnO 薄膜上用磁控溅射法沉淀ZnO薄膜，并研究了其光电性质。 结果表明，光电流14毫安，暗态电流接近于零，表明其具 有非常强的光敏感性。这是由于双层薄膜之说间的费米能 级不同而形成空间内建电场的作用，使产生的光生电子与 空穴有效分离，少了电子和空穴的复合，进光生载减促流 子的产生并延长了载流子寿命，得到了较强的光电流 。

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ZnO薄膜的外延生长温度很低，有利于降低成本， 提高成膜质量，更重要的是易于掺杂。掺入B、Al、 Ga、In等Ⅲ族施主杂质可使其n型导电得到增强；也 可以通过掺入N、P、As等Ⅴ族受主杂质或通过施主受主元素共掺杂(如Ga-N共掺杂)的办法，使其具 有P型导电特性。因此，在ZnO光电特性的研究中， p-n结型器件是 ZnO薄膜实用化的关键

,制备p型ZnO 薄膜和ZnO的同质p-n及异质p-n结的研究也成为该领 域中的重要研究内容 。

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目前，内外已有 多种制备p型掺杂ZnO 薄膜的方法。不同生 长工艺以及利用多种 掺杂物都成功地获得 了p型ZnO薄膜，有些 研究 组已经制得基于 ZnO的同质结以及实现了p-n结的光发射。图7为 文献双层结构的ZnO同质p-n结的 I-V特性图 。

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Zn0薄膜具有优良的压电性能，如高机电耦合

系数和低介电常数，是一种用于体声波(BAW) 尤其是表面声波(SAW)的理想材料。SAW要求 Zn0薄膜具有C轴择优取向，电阻率高，从而有 高的声电转换效率；且要求晶粒细小，表面平 整，晶体缺陷少，以减少对SAW的散射，降低 损耗。Zn0在低频方面，主要用于传感器.但 存在直流电致损耗；而在高频方面，具有良好 的高频特性，随着数字传输和移动通信信息传 输量的增大，SAW要求超过IGHz的高频，因此 Zn0压电薄膜在高频滤波器、谐振器、光波导 等领域有着广阔的发展前景。

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