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《薄膜技术》课程论文题目： 磁控溅射技术在稀土离子掺杂ZnO 薄膜的制备中的应用 姓名：何仕楠学号：1511082678专业：电子与通信工程目 录1引言32 磁控溅射技术32.1磁控溅射原理32.2磁控溅射技术过程52.3磁控溅射技术特点63 磁控溅射技术制备稀土离子掺杂ZnO薄膜7 3.1 掺杂方式7 3.1.1单稀土元素掺杂7 3.1.2共掺杂7 3.2 衬底材料对不同稀土离子掺杂ZnO薄膜的影响8 3.2.1衬底材料Er3+/Yb3+对掺杂的薄膜的影响8 3.2.2衬底材料对 ZnO:Eu3+薄膜发光性能的影响 8 3.3不同稀土离子掺杂ZnO薄膜的发光性能94总结9参考文献10磁控溅射技术在稀土离子掺杂ZnO 薄膜的制备中的应用摘要： 稀土离子掺杂ZnO薄膜具有优良的光电性能优势，在光电器件、压电器件、表面声波器件等领域具有广泛的应用前景。本文从制备稀土离子掺杂ZnO薄膜的原理、生长机制等详细介绍了磁控溅射技术,对制备方法和稀土掺杂ZnO薄膜的应用及前景进行综述。1引言今年来，各种新的成膜方法不断涌现，成膜质量也得到大大改善。其中,磁控溅射法具有沉积速率高,成膜质量好,可以抑制固相扩散等优点,得到了广泛的应用[1]。此种方法制备的薄膜范围较广，磁控溅射技术的快速发展是始于1974年，J.Chapin提出了平衡磁控溅射原理，解决了溅射镀膜中的两大难题，即低温和高速溅射镀膜。磁控溅射技术的应用领域在20世纪80年代后得到极大的扩展。磁控溅射技术作为一种非常有效的薄膜沉积技术，被广泛的应用于众多领域，比如电子元器件、平板显示技术、大规模集成电路，以及能源、光学、机械工业等产业化领域。氧化锌（ZnO）属于第三代多功能半导体材料[2], 它具有六角纤锌矿型的晶体，属于宽禁带半导体，室温下禁带宽度约为 3.37 eV， 其激子束缚能高达 60 meV，ZnO 作为一种新型的光电材料，在光波导、半导体紫外激光器、发光器件，压电传感器及透明电极等方面应用广泛。稀土元素具有特殊的原子壳层结构，具有优异的磁学、电学和光学特性。常被选作发光材料的发光中心[2,3,4]。因此，在薄膜中掺杂稀土离子受到囯内外研究者的广泛关注。本文综述了以稀土离子掺杂ZnO烧结陶瓷为靶材，利用射频磁控溅射法在石英玻璃和蓝宝石品体桩底上制备共掺的薄膜。 2 磁控溅射技术2.1磁控溅射原理溅射是指利用气体放电产生的正离子,在电场作用下加速成为高能粒子,撞击固体靶表面,进行能量和动量交换后,固体表面的原子或分子在轰击下离开表面。利用固体表面被溅射出来的物质沉积成膜的过程,称溅射镀膜[5,6]。在溅射过程中产生的二次电子由于在磁场和电场的共同作用下，产生E×B漂移，在靶材表面做与磁场形状相似的圆周运动，然后形成等离子体的区域。在此区域内，二次电子会往复的做圆周运动，延长了电子的运动轨迹，进而增加了二次电子与氩原子碰撞的机会，电离出大最的氩离子，增大了氩离子的电离率，提高了薄膜的沉积速率，如图1所示。图1 磁控溅射靶材表面的磁场和离子运动轨迹二次电子的能量与氩原子多次碰撞后逐渐变为零，在外加电场的作下沉积在基底材料的表面，因此，薄膜最终由电中性的靶材分子和原子在基底材料表面沉积所形成的。磁控溅射镀膜过中，造成基板低温的原因是由于二次电子的能量较低，且沿E×B漂移时被阴极附近的辅助阳极所吸收，避免了靶材表面的温度上升。由于二次电子携带的能量较低，受到碰撞后到达基底材料表面时的能量变小，使得基底材料的表面温度偏低。此过程也体现了磁控溅射法制备薄膜所具备的“高速”“低温”的两大特点。磁控溅射工作原理示意图如图2所示。 图2 测控溅射工作原理示意图2.2磁控溅射技术过程在一相对稳定真空状态下,阴阳极间产生辉光放电,极间气体分子被离子化而产生带电电荷,其中正离子受阴极之负电位吸引加速运动而撞击阴极上之靶材,将其原子等粒子溅出[7]。图中的大球代表被电离后的气体分子,而小球则代表将被溅镀的靶材。即当被加速的离子与表面撞击后,通过能量与动量转移过程如图,低能离子碰撞靶时,不能从固体表面直接溅射出原子,而是把动量转移给被碰撞的原子,引起晶格点阵上原子的链锁式碰撞。这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行。同时,因在原子最紧密排列的点阵方向上碰撞最为有效,因此晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量。如果这个能量大于原子的结合能,原子就从固体表面从各个方向溅射出来。 图3 能量与动量转移过程磁控溅射制备薄膜的过程[8,9]如图5所示,电子在电场E作用下,在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞,使其电离出Ar+和一个新的电子,电子飞向基片,Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶,并以高能量轰击靶表面,使靶材发生溅射。在溅射粒子中,中性的靶原子或分子在衬底表面经过吸附、凝结、表面扩散迁移、