呂靈燕

摘要:采用溶膠—凝膠法在ITO玻璃襯底上制備氧化鋅（ZnO）薄膜，利用AFM和UV對不同退火溫度的ZnO薄膜樣品進行分析。經(jīng)實驗的表征結(jié)果分析，退火溫度為500℃到700℃區(qū)間，透射率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，而禁帶寬度基本保持不變。通過實驗結(jié)果對比得出，當退火溫度為550℃時，制備出的ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較好，表面較光滑，透射率約為90%，禁帶寬度為3.25 eV，

中圖分類號：O484文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

ZnO是一種新型的直接帶隙寬禁帶II—IV族的化合物半導(dǎo)體材料。氧化鋅晶體具有三種結(jié)構(gòu)：六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，以及氯化鈉式八面體巖鹽結(jié)構(gòu)。天然的ZnO一般表現(xiàn)為熱力學(xué)穩(wěn)定相六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=0.324nm、c=0.519nm，室溫下禁帶寬度約3.37eV[1]。ZnO在室溫下具有高達60meV的激子結(jié)合能，生長溫度低，能有效地工作于室溫及更高的溫度。ZnO的高激子結(jié)合能使其在室溫下獲得高效率的與激子相關(guān)的受激發(fā)射，是一種理想的紫外光發(fā)射材料[2]。其次，ZnO高熔點的物理特性(1975℃)，具有很好的熱化學(xué)穩(wěn)定性。另外，ZnO器件制備工藝可與硅平面集成電路工藝相容， ZnO來源廣泛，環(huán)保無毒，價格低廉，可以大規(guī)模生產(chǎn)。因此，越來越多的學(xué)者加入到對ZnO材料光電性能研究的隊伍中[3]。

自1996年以來，日本和香港的科學(xué)家在室溫下首次實現(xiàn)光泵浦ZnO薄膜近紫外激光發(fā)射后，各國掀起ZnO研究的熱潮[4]。十多年過去了，ZnO已經(jīng)從起步時期各方向和領(lǐng)域的快速發(fā)展到今日進展緩慢的瓶頸期。本文從退火處理角度出發(fā)來研究溫度對ZnO薄膜生長的影響，從而找出最佳的退火溫度，最終制備出具有優(yōu)異光電特性的ZnO薄膜ZnO是一種“友好”的材料，幾乎所有制備薄膜的方法都能制備ZnO薄膜?，F(xiàn)今有化學(xué)氣相沉積（CVD），磁控濺射（RF），分子束外延(molecular beam epitaxvy)，脈沖激光

沉積(PLD)，溶膠—凝膠法(Sol—gel)等多種薄膜制備方法[5]。與其它方法相比，溶膠—凝膠法(Sol—gel)具有原料來源廣泛，易于控制成份，成本低，制備方法簡單，熱處理溫度相對較低，成膜面積大，均勻性好等優(yōu)點。本論文的ZnO薄膜的制備采用Sol—gel法。

1 實驗

實驗中是以分析純的二水醋酸鋅(Zn（CH3COO)2 2H2O)為原料，乙二醇甲醚（CH3OCH2CH2OH)為溶劑，乙醇胺（C2H7NO)作為穩(wěn)定劑。將一定質(zhì)量二水醋酸鋅溶解于乙二醇甲醚，再加入與二水醋酸鋅等摩爾的乙醇胺。用磁力加熱攪拌器在沸騰狀態(tài)攪拌30min，然后在60℃的恒溫水浴中攪拌1h，最后自然降溫，在室溫下繼續(xù)攪拌2h，調(diào)整濃度，獲得0.4mol/L澄清的溶液。對選用的ITO玻璃基片先用去離子水在超聲波清洗器超聲清洗15min、后用丙酮超聲清洗15min、再用去離子水沖洗基片，接著在無水乙醇中超聲清洗15min。最后在120℃的真空干燥箱烘烤20min以達到烘干基片。

取制備好的ZnO溶液，利用勻膠機進行旋轉(zhuǎn)涂覆。實驗中先設(shè)置低速檔轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘，旋轉(zhuǎn)時間6秒，后設(shè)置高速檔的轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分鐘，旋轉(zhuǎn)時間30秒。旋轉(zhuǎn)涂覆后，將基片置于高精度數(shù)顯恒溫加熱臺上用 300℃的溫度處理熱烤5min。最后將樣品用擴散爐進行退火，分別將各樣品保持在空氣氛圍下分別在500℃，550℃，600℃，650℃的溫度下退火1小時。經(jīng)過退火處理，即獲得四種ZnO薄膜樣品。ZnO薄膜的制備過程如圖1。

實驗采用Veeco公司生產(chǎn)的原子力顯微鏡NanoScope IIIa對退火溫度在550℃和650℃的不同ZnO薄膜樣品進行AFM測試。采用日本Shimadzu 公司生產(chǎn)的UV-3150型紫外可見分光光度計(UV)測試ZnO薄膜在光波長在390nm至800nm范圍內(nèi)的透射譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 ZnO薄膜AFM分析

由圖2可知，550℃的退火溫度薄膜表面的結(jié)晶性能提高，晶粒顆粒粒徑就小;退火溫度升高650℃時，晶粒顆粒粒徑明顯變大，薄膜晶粒生長開始轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向增長和縱向增長。退火溫度繼續(xù)升高，則會出現(xiàn)燒孔和團簇現(xiàn)象。由此得知，對薄膜進行退火處理，在一定程度上能夠改善薄膜表面的結(jié)晶狀況，能夠促進其晶粒的生長，導(dǎo)致晶粒之間空隙的減小，排列趨于均勻致密,薄膜容易有序結(jié)晶化。然而，退火溫度到達一定的極限溫度時，由鋅和氧的熱擴散或蒸發(fā)過度等原因，會導(dǎo)使晶粒生長過大，缺陷濃度增加，反而會造成薄膜表面現(xiàn)象粗糙度升高，結(jié)晶質(zhì)量下降，出現(xiàn)明顯的凹凸缺陷[6]。

2.2 ZnO薄膜透射光譜分析

為了分析不同退火溫度對ZnO薄膜透光率的影響，分別選擇取退火溫度為500℃、550℃、600℃、650℃的薄膜樣品，結(jié)果如圖3。

由圖3可知，光波長大于400nm的可見光區(qū)域內(nèi)， ZnO薄膜的透光率平均可達到80%。而經(jīng)過退火溫度為500℃和550℃處理的薄膜的透光率的比其他退火溫度下的都要高,最高透光率達89%。但是隨著退火溫度的上升達到600℃和650℃，最大透光率下降至85%左右。分析原因是由于在較高的退火溫度下，薄膜內(nèi)的原子在此溫度下獲得能量在表面發(fā)生遷移，晶粒得到增長，晶粒間的空隙就小，缺陷密度變小。但是過高的退火溫度使得ZnO薄膜在高溫下分解，分解更嚴重時會干擾鋅原子、氧原子的平衡，改變了ZnO薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部缺陷密度增加，存在著過多晶界，增加薄膜的散射機制，使其在可見光范圍內(nèi)的透過性變差[7]。在可見光波段內(nèi)，ZnO薄膜始終表現(xiàn)出很高的透射率，在透明電子器件中的應(yīng)用中具有實際意義。

假設(shè)ZnO薄膜中價帶和導(dǎo)帶之間是直接躍遷的，則吸收系數(shù)和光子能量的關(guān)系可表述為： ，式中 為吸收系數(shù)， 為直接躍遷帶寬，C為常數(shù)， 為入射光子能量。圖4的插圖所示是 的關(guān)系曲線圖。從插圖所示，曲線是符合線性擬合，即此曲線與直線近似，即假設(shè)ZnO是直接躍遷型是恰當?shù)?。將此直線外延長至 軸，即可確定出禁帶寬度 。由圖3的插圖可知在空氣氛圍下退火處理，各吸收邊隨溫度的升高光學(xué)禁帶寬度基本保持不變，退火溫度為550℃的薄膜的禁帶寬度約為3.25eV。此值低于文獻報道的ZnO薄膜3.37eV,這是由于載流子濃度變化所致。ZnO薄膜樣品的載流子濃度在空氣氛圍下退火處理比在富氧氛圍下的退火處理來得低，會產(chǎn)生Burstein-Moss飄移，使得光學(xué)帶隙變窄[8]。

3 結(jié)語

利用Sol—gel法在ITO玻璃的襯底上制備ZnO薄膜，并利用AFM和紫外可見分光光度計(UV)對其進行表征，研究不同的退火溫度對ZnO的光學(xué)性質(zhì)和表面形貌的影響。經(jīng)實驗結(jié)果分析，隨著退火溫度的升高，透射率先上升后下降，而禁帶寬度基本保持不變通過實驗結(jié)果對比，摸索出在ITO玻璃襯底制備ZnO薄膜最適宜的生長條件參數(shù)。充分了解并掌握了退火條件對薄膜結(jié)晶情況的影響及其如何來實驗薄膜的最佳生長,并驗證出當退火溫度為550℃時制備出ZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量較好， 表面光滑，透射率約為90%，禁帶寬度約為3.25eV。

參考文獻

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[2] 鮑善永，董武軍，徐興，等. 氧分壓對Mg摻雜ZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量和光學(xué)特性的影響[J]. 物理學(xué)報，2011,60(3)：1-7.

[3] 解群眺，毛世平，薛守迪.退火對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)及缺陷的影響[J].壓電與聲光,2011，33（2）：299-301.

[4] Bagnall D M, Zhu Z, et al, Electri cal breakdown at semiconductor grain boundaries [J]. Appl Phys Lett, 1997, 70(17):2230-2232.

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[8] 彭福川，林麗梅，鄭衛(wèi)峰，等. 氧分壓對射頻磁控測射制備氧化鋅薄膜光電性質(zhì)的影響[J].福建師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011,27(1)：52-56.