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退火温度对制备ZnO薄膜光电学性质影响 　　摘要:采用溶胶—凝胶法在ITO玻璃衬底上制备氧化锌（ZnO）薄膜，利用AFM和UV对不同退火温度的ZnO薄膜样品进行分析。经实验的表征结果分析，退火温度为500℃到700℃区间，透射率呈现先上升后下降的趋势，而禁带宽度基本保持不变。通过实验结果对比得出，当退火温度为550℃时，制备出的ZnO薄膜的结晶质量较好，表面较光滑，透射率约为90%，禁带宽度为3.25 eV， 　　中图分类号：O484文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)04(a)-0000-00 　　ZnO是一种新型的直接带隙宽禁带II—IV族的化合物半导体材料。氧化锌晶体具有三种结构：六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构，以及氯化钠式八面体岩盐结构。天然的ZnO一般表现为热力学稳定相六边纤锌矿结构，其晶格常数a=0.324nm、c=0.519nm，室温下禁带宽度约3.37eV[1]。ZnO在室温下具有高达60meV的激子结合能，生长温度低，能有效地工作于室温及更高的温度。ZnO的高激子结合能使其在室温下获得高效率的与激子相关的受激发射，是一种理想的紫外光发射材料[2]。其次，ZnO高熔点的物理特性(1975℃)，具有很好的热化学稳定性。另外，ZnO器件制备工艺可与硅平面集成电路工艺相容， ZnO来源广泛，环保无毒，价格低廉，可以大规模生产。因此，越来越多的学者加入到对ZnO材料光电性能研究的队伍中[3]。 　　自1996年以来，日本和香港的科学家在室温下首次实现光泵浦ZnO薄膜近紫外激光发射后，各国掀起ZnO研究的热潮[4]。十多年过去了，ZnO已经从起步时期各方向和领域的快速发展到今日进展缓慢的瓶颈期。本文从退火处理角度出发来研究温度对ZnO薄膜生长的影响，从而找出最佳的退火温度，最终制备出具有优异光电特性的ZnO薄膜ZnO是一种“友好”的材料，几乎所有制备薄膜的方法都能制备ZnO薄膜。现今有化学气相沉积（CVD），磁控溅射（RF），分子束外延(molecular beam epitaxvy)，脉冲激光 　　沉积(PLD)，溶胶—凝胶法(Sol—gel)等多种薄膜制备方法[5]。与其它方法相比，溶胶—凝胶法(Sol—gel)具有原料来源广泛，易于控制成份，成本低，制备方法简单，热处理温度相对较低，成膜面积大，均匀性好等优点。本论文的ZnO薄膜的制备采用Sol—gel法。 　　1 实验 　　实验中是以分析纯的二水醋酸锌(Zn（CH3COO)2 2H2O)为原料，乙二醇甲醚（CH3OCH2CH2OH)为溶剂，乙醇胺（C2H7NO)作为稳定剂。将一定质量二水醋酸锌溶解于乙二醇甲醚，再加入与二水醋酸锌等摩尔的乙醇胺。用磁力加热搅拌器在沸腾状态搅拌30min，然后在60℃的恒温水浴中搅拌1h，最后自然降温，在室温下继续搅拌2h，调整浓度，获得0.4mol/L澄清的溶液。对选用的ITO玻璃基片先用去离子水在超声波清洗器超声清洗15min、后用丙酮超声清洗15min、再用去离子水冲洗基片，接着在无水乙醇中超声清洗15min。最后在120℃的真空干燥箱烘烤20min以达到烘干基片。 　　取制备好的ZnO溶液，利用匀胶机进行旋转涂覆。实验中先设置低速档转速为500转/分钟，旋转时间6秒，后设置高速档的转速为2500转/分钟，旋转时间30秒。旋转涂覆后，将基片置于高精度数显恒温加热台上用 300℃的温度处理热烤5min。最后将样品用扩散炉进行退火，分别将各样品保持在空气氛围下分别在500℃，550℃，600℃，650℃的温度下退火1小时。经过退火处理，即获得四种ZnO薄膜样品。ZnO薄膜的制备过程如图1。 　　实验采用Veeco公司生产的原子力显微镜NanoScope IIIa对退火温度在550℃和650℃的不同ZnO薄膜样品进行AFM测试。采用日本Shimadzu 公司生产的UV-3150型紫外可见分光光度计(UV)测试ZnO薄膜在光波长在390nm至800nm范围内的透射谱。 　　2 结果与分析 　　2.1 ZnO薄膜AFM分析 　　由图2可知，550℃的退火温度薄膜表面的结晶性能提高，晶粒颗粒粒径就小;退火温度升高650℃时，晶粒颗粒粒径明显变大，薄膜晶粒生长开始转变为横向增长和纵向增长。退火温度继续升高，则会出现烧孔和团簇现象。由此得知，对薄膜进行退火处理，在一定程度上能够改善薄膜表面的结晶状况，能够促进其晶粒的生长，导致晶粒之间空隙的减小，排列趋于均匀致密,薄膜容易有序结晶化。然而，退火温度到达一定的极限温度时，由锌和氧的热扩散或蒸发过度等原因，会导使晶粒生长过大，缺陷浓度增加，反而会造成薄膜表面现象粗糙度升高，结晶质量下降，出现明显的凹凸缺陷[6]。 　　2.2 ZnO薄膜透射光谱分析