衬底温度是磁控溅射法制备氧化锌薄膜中一个非常重要的工艺指标，探索衬底温度对氧化锌薄膜微结构及光学性能的影响对制备环保型高质量氧化锌紫外屏蔽材料具有重要意义。以质量分数99.99%的氧化锌陶瓷靶为溅射源，利用射频磁控溅射技术在石英衬底上沉积了氧化锌紫外屏蔽薄膜，通过X射线衍射仪、薄膜测厚仪、紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计进行测试和表征，研究了不同衬底温度对ZnO薄膜微结构及光学性能的影响。实验结果表明:制备所得薄膜均为六角纤锌矿结构，具有沿(002)晶面择优取向生长的特点，其晶格常数、晶粒尺寸、透过率、光学能隙、可见荧光、结晶质量等都与衬底温度密切相关，当衬底温度为250 ℃，溅射功率160 W，氩气压强0.5 Pa，氩气流速8.3 mL/min，沉积时间60 min时，所得氧化锌薄膜样品取向性最好，晶粒尺寸最大，薄膜结构致密，具有良好的光学性能和结晶质量。
ZnO薄膜 磁控溅射 衬底温度 光学性能 择优取向 结晶质量 ZnO thin film magnetron sputtering substrate temperature optical property preferred orientation crystal quality
长沙理工大学物理与电子科学学院, 湖南 长沙 410114
X射线衍射光谱、 拉曼光谱和紫外可见透射光谱技术是薄膜材料检测的重要技术手段。 通过对薄膜材料光谱性能的分析, 可以获得薄膜材料的物相、 晶体结构和透光性能等信息。 为了解厚度对未掺杂ZnO薄膜的X射线衍射光谱、 拉曼光谱和紫外可见透射光谱性能的影响, 利用溶胶-凝胶法在石英衬底上旋涂制备了不同厚度的未掺杂ZnO薄膜样品, 并对薄膜样品进行了X射线衍射光谱、 拉曼光谱和紫外可见透射光谱的检测。 首先, 通过X射线衍射光谱检测发现, 薄膜样品呈现出(002)晶面的衍射峰, ZnO薄膜为六角纤锌矿结构, 均沿着C轴择优取向生长, 且随着薄膜厚度的增加, 衍射峰明显增强, ZnO薄膜的晶粒尺寸随着膜厚的增加而长大。 利用扫描电子显微镜对薄膜样品的表面形貌分析显示, 薄膜表面致密均匀, 具有纳米晶体的结构, 其晶粒具有明显的六角形状。 通过拉曼光谱检测发现, 薄膜样品均出现了437 cm-1的拉曼峰, 这是ZnO纤锌矿结构的特征峰, 且随着薄膜厚度的增加, 其特征拉曼峰强度也增加, 进一步说明了随着ZnO薄膜厚度的增加, ZnO薄膜晶化得到了加强。 最后, 通过紫外可见透射光谱测试发现, 随着膜厚的增加, 薄膜的吸收边发生一定红移, 薄膜样品在可见光区域内的透过率随着膜厚度增加而略有降低, 但平均透过率都超过90%。 通过对薄膜样品的紫外-可见透射光谱进一步分析, 估算了薄膜样品的折射率, 定量计算了薄膜样品的光学禁带宽度, 计算结果表明: 厚度的改变对薄膜样品的折射率影响不大, 但其禁带宽度随着薄膜厚度的增加而变窄, 且均大于未掺杂ZnO禁带宽度的理论值3.37 eV。 进一步分析表明, ZnO薄膜厚度的变化与ZnO晶粒尺寸的变化呈正相关, 本质上, 吸收边或光学禁带宽度的变化是由于ZnO晶粒尺寸变化引起的。
ZnO薄膜 光谱 溶胶-凝胶 带隙 ZnO thin film Spectrum Sol-gel Band gap 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2835
1 河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454000
2 徐州工程学院 机电工程学院，江苏 徐州 221000
3 徐州工程学院 物理与新能源学院，江苏 徐州 221000
4 深圳大学 材料学院，广东 深圳 518000
本文采用脉冲激光沉积（PLD）法在单晶硅（111）和石英玻璃衬底上制备了Ga掺杂ZnO（GZO）纳米薄膜，研究了氧压强对薄膜质量和光电性质的影响。采用XRD和SEM对薄膜的晶体结构和表面形貌进行了表征，结果表明纳米薄膜的平均粒径尺寸可以通过调整氧压强来控制，当氧压强为0.01 Pa时，薄膜的结晶质量最好。PL谱分析结果表明，反应气氛中适量的氧气可以有效降低缺陷密度，实现对GZO薄膜发光性质的调控。透射光谱分析结果显示，GZO薄膜在400~800 nm的平均光学透过率超过85%，具有良好的透光性能。霍尔测试结果表明氧压强为0.01 Pa时，GZO薄膜的电阻率最低为2.77×10-4 Ω·cm，随着氧压强继续增加，薄膜的电阻率增加，载流子浓度和霍尔迁移率均降低。
氧气压强 Ga掺杂 ZnO薄膜 光电性质 Oxygen pressure Ga doping ZnO thin films photoelectric properties
1 装备智能控制福建省高校重点实验室, 福建 三明 365004
2 三明学院 机电工程学院, 福建 三明 365004
采用射频磁控溅射和退火处理方法在普通玻璃基底上制备了N、Al共掺的ZnO薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、四探针电阻测试仪和紫外-可见光光谱及X射线光电子能谱(XPS)等测试手段, 分析了溅射功率对薄膜表面形貌结构及光电性能的影响。研究结果表明: 不同溅射功率下所制备的薄膜均为具有c轴择优取向的六角纤锌矿结构, 在可见光范围内, 平均透过率都超过了85%; 在溅射功率为140W条件下, N、Al共掺的ZnO薄膜显示出p型导电特性。
ZnO薄膜 射频磁控溅射 退火处理 溅射功率 光电性能 ZnO film RF magnetron sputtering annealing treatment sputtering power photoelectric property
河南科技大学 材料科学与工程学院, 河南 洛阳 471023
采用溶胶凝胶旋涂法在FTO玻璃衬底上制备得到了不同Al掺杂浓度的ZnO薄膜(AZO)。利用XRD、FESEM、UVvis和PL等测试手段对样品结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明, 合成的AZO薄膜均为六方纤锌矿结构且峰强随掺杂浓度的升高而减弱; 同时, 颗粒形貌由不规则向规则球形转变且尺寸逐渐减小; PL谱中的近紫外发射峰和晶格缺陷峰值随掺杂浓度的升高先增大后降低; 由UVvis吸收光谱可知, AZO薄膜在设定波长内的光吸收处于波动状态, 且当Al掺杂浓度为3%时, 光吸收强度最高, 禁带宽度减小到3.12eV。
ZnO薄膜 Al掺杂 溶胶凝胶法 光学性能 ZnO thin film Al doping SolGel method optical properties
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海理工大学 上海市现代系统光学重点实验室, 上海 200093
采用直流磁控溅射法,以柔性PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)为基底,通过参数优化以求在室温下制备高性能ZnO/Ag/ZnO 多层薄膜。实验中,使用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、紫外可见分光光度计、四探针电阻测试仪等仪器分别对ZnO/Ag/ZnO多层薄膜的微观结构、表面形貌、透过率及方块电阻进行测试及表征。结果表明,随着Ag层厚度增加,薄膜方块电阻急剧下降,通过改变ZnO层厚度,可有效调节薄膜光学性能,随着ZnO层厚度增加,可见光区平均透过率先增大后减小。引入品质因子FTC作为评价指标可知,当依次沉积ZnO、Ag、ZnO厚度为50 nm、8 nm、50 nm时,薄膜光电性能最佳,其在可见光平均透过率为82.3%、方块电阻为2.8 Ω/□、禁带宽度为3.332 eV。
ZnO薄膜 磁控溅射 透明导电薄膜 光电特性 ZnO thin film magnetron sputtering transparent conductive film photoelectric characteristics
1 中国科学院电工研究所 电子束曝光技术研究组， 北京 100190
2 中国科学院大学， 北京 100049
3 中国科学院电工研究所 太阳能电池技术研究部， 北京 100190
为研究电子束退火对Li-N共掺杂ZnO薄膜性能的影响，首先利用溶胶-凝胶旋涂法在p型Si(111)衬底上制备Li-N共掺杂的ZnO前驱膜，然后用电子束对前驱膜进行退火。退火时，电子束加速电压10 kV，退火时间5 min，聚焦束流123 mA，束流为0.7～1.9 mA，最后得到Li-N共掺杂的ZnO薄膜。XRD谱分析表明，当束流高于1.5 mA之后，薄膜为六方ZnO和立方ZnO的混合多晶薄膜，且有金属Zn生成，导致薄膜有较强的绿光发射。SEM图片分析显示，薄膜的晶粒尺寸随束流增加而增大，当束流高于1.5 mA后，晶粒尺寸变化不大，约为60 nm。光致发光(PL)谱和激光拉曼谱的分析结果证实Li、N元素已掺入ZnO晶格中，PL谱中观察到Li元素掺杂引起的紫光发射，拉曼散射光谱中观察到N替代O位的缺陷振动模式。
电子束退火 掺杂 多晶 ZnO薄膜 electron beam annealing doping polycrystalline ZnO thin film
1 福建师范大学物理与能源学院, 福建省量子调控与新能源材料重点实验室, 福建 福州 350117
2 福建省半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心, 福建 厦门 361005
3 福建省半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心, 福建 厦门 361005
用注射超声喷雾法将前驱体由针管直接送入超声喷头内, 在石英基板上制备Zn1-xCrxO（x=0.0, 0.01, 0.03, 0.05）薄膜。 采用X射线衍射仪、 扫描电子显微镜、 荧光光谱仪、 紫外-可见分光光度计、 振动样品磁强计（VSM）等对薄膜的结构、 光学和磁学性质进行测量。 实验结果表明, 未掺杂的ZnO薄膜为六角纤锌矿结构, 沿着c轴（002）择优取向, 而Cr掺杂抑制了薄膜的c轴择优取向性； 掺杂后的薄膜平均晶粒尺寸均增大, 且当x=3%时, 晶粒尺寸最大, 达31.4 nm。 扫描电镜（SEM）下薄膜呈球形颗粒状, 并且在x=5%下, 薄膜出现了长条状的微观形貌。 Cr掺杂使样品的光致发光谱（PL）发生了很大的变化： 未掺杂的样品的PL谱在378 nm处存在一个紫外发射峰, 对应于550 nm附近还存在一个由于缺陷态引起的绿光发射峰； 掺Cr样品只有在350～550 nm的很宽的范围内存在一个发射峰, 对其进行高斯拟合后, 发现掺Cr量为x=1％, 3％, 5％下样品均存在VZn（锌空位）、 Zni（Zn间隙位）、 V-Zn（带一个电子的锌空位）内部缺陷态, 且当x=3%时, VZn最多。 Cr的掺杂使得薄膜的带隙增大, 并且x=3%时, 禁带宽度最大, 达到3.374 eV。 掺Cr的三个样品均具有室温铁磁性, 且x=3%样品的磁化强度最大, 其与VZn(锌空位）最大相对应, 验证了Cr3+和VZn的缺陷复合体是ZnO∶Cr样品具有稳定的铁磁有序的最有利条件的理论预测。
超声喷雾法 Cr掺杂ZnO薄膜 光学性能 磁学性质 Ultrasonic spraying technology Cr doped ZnO thin films Optical property Magnetic property 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1328
1 江西科技学院 协同创新中心, 江西 南昌330098
2 江西科技学院 管理学院, 江西 南昌330098
3 浙江正泰太阳能科技有限公司, 浙江 杭州310053
采用低压化学气相沉积(LPCVD)在玻璃衬底上制备了B掺杂ZnO(BZO)薄膜, 研究了氢气气氛退火对BZO薄膜光学性能和电学性能的影响。结果表明: 在氢气气氛下退火后, BZO薄膜的物相结构和透光率基本无变化, 但BZO薄膜的导电能力却明显提高。Hall测试结果表明: 在氢气下退火时载流子浓度基本保持不变, 但迁移率却明显提高。实验结果可为进一步提高BZO薄膜的光学电学综合性能提供借鉴。
低压化学气相沉积 ZnO薄膜 光学性能 载流子浓度 霍尔迁移率 low pressure chemical vapor deposition ZnO thin film optical properties carrier concentration Hall mobility
电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都 610054
空间光调制技术广泛应用于阈值开关、高速光互连、光逻辑运算等领域，对光信号的实时快速寻址有极高的要求。与电寻址方式相比，光寻址采用并行寻址，速度快，分辨率高，具有更大的优势。但在实际应用中，如何实现快速稳定的光寻址成为空间光调制的关键。本文以ZnO 薄膜作为光导层，构造光寻址液晶空间光调制器，更好地实现了对读出光光强和相位的二维空间分布的调制。
ZnO 薄膜 光寻址 液晶空间光调制器 ZnO thin film optically-addressing Liquid Crystal Optically-Addressing Spatial Light 太赫兹科学与电子信息学报
2015, 13(1): 173
