掺杂ZnO薄膜的进展案例.doc

掺杂ZnO薄膜的研究进展 摘要：ZnO薄膜作为一种Ⅱ～Ⅵ族的宽禁带半导体材料，具有优异的物理化学性能。通过对薄膜的掺杂，可以改善其性能，使其应用更加广泛。综述了ZnO薄膜的制备方法，比较了各种制备方法的优缺点，重点探讨了掺杂对薄膜的结构、光、电性能的影响，最后总结了ZnO薄膜的应用和今后可能的研究方向。 关键词：掺杂ZnO薄膜，制备工艺，性能 Abstract：ZnO thin films are a kind of II～VI semiconductors with a wide direct band gap and excel—lent physical and chemical properties. Doped thin films can improve their functions and make their applications more extensive．In this paper，preparation technique of ZnO thin films was reviewed and their advantages and disadvantages were pointed out．And the structure, optical，electrical properties of doped ZnO thin films were studied in detail．The applications of ZnO thin films were summarized, and an outlook to the research direction of aftertime was carried on． Key words： Doped ZnO thin films；Preparation technique； Properties 引言 ZnO是一种新型的宽禁带化合物半导体材料，其稳定相是六方纤锌矿结构，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，易实现室温或更高温度下的激子受激发射[1]。ZnO具有良好的光电、压电、透明导电、气敏、压敏等诸多优异性能，可广泛应用于表面声波器件、紫外光探测器、太阳能电池、气敏压敏传感器等领域。与纯ZnO薄膜相比，掺杂ZnO薄膜的性能得到很大的改善，大大拓宽了它的应用领域。目前，对ZnO薄膜的研究主要集中制备工艺的改进和掺杂元素的选择（种类与含量）。本文就掺杂Zn0薄膜的制备技术，掺杂对ZnO薄膜结构、光、电、磁学性能的影响等方面进行了综述。 ZnO薄膜的基本性质 ZnO晶体存在三种晶体结构[2]：六方纤锌矿结构(B4)、立方闪锌矿结构(B3)和四方岩盐结构(B1)，如图l所示。Jeffee等[3]人根据第一性原理计算得到ZnO各晶体结构的总能量：六方纤锌矿结构的总能量为5.658eV,闪锌矿结构的总能量为5.606eV,四方岩盐矿结构的总能量为5.416eV。六方纤锌矿结构在常温下是稳定相，也是研究最多的一种相结构，具有六方对称性，6mm点群，P63mc空间群。Zn原子和O原子各自组成一个六方密堆积结构的子格子，这两个子格子沿C轴平移0.385C套构形成纤锌矿结构。ZnO晶格常数a=b=0.3246nm，c=0.5203nm，而且晶格常数随着偏离化学计量比而改变，c/a =1.60小于理论比值1.633。从[0001]方向看，ZnO是由Zn面和O面密堆积组成的，为AaBbAaBb式排列，这种排列导致ZnO具有(0001)和(000)面。这种C面的极化分布使得Zn面和O面具有不同的性质，导致该结构缺乏对称中心，使ZnO具有压电特性。另外一个值得注意的是ZnO的纤锌矿结构相当于O原子构成简单六方密堆积，Zn原子则填塞于半数的四面体隙中，而半数四面体隙是空的。因此，ZnO具有相对开放的晶体结构，外来掺杂物容易进入其晶格中而不改变晶体结构，这就为外来掺杂创造了条件。 ZnO薄膜的制备方法 ZnO薄膜的制备方法有很多种，主要包括：磁控溅射法(Ms)；溶胶一凝胶(Sol—Ge1)法；分子束外延法(MBE)；金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)；脉冲激光沉积法(PLD)；喷雾热分解法(SP)等。下面就这几种制备方法及其优缺点进行讨论。 2 磁控溅射 磁控溅射是目前国内研究最多,工艺最成熟的一种方法。其理论基础是气体辉光放电，辉光放电可以通过调节合适的气氛达到自持。溅射是利用高能带电粒子轰击靶材，使靶材原子或分子被溅射出来并沉积到衬底成膜。按工作电源可分为直流(Dc)磁控溅射和射频(RF)溅射两种。直流磁控溅射一般以金属Zn为靶材，以Ar和O2的混合气体为溅射气氛。射频磁控溅射一般用晶体作为射频振荡器,射频频率一般在5～30MHz之间，溅射用的