退火温度对制备ZnO薄膜光电学性质的影响 45号钢退火温度
时间：2019-05-06 03:22:42 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
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
为了分析不同退火温度对ZnO薄膜透光率的影响，分别选择取退火温度为500℃、550℃、600℃、650℃的薄膜样品，结果如图3。
由图3可知，光波长大于400nm的可见光区域内， ZnO薄膜的透光率平均可达到80%。而经过退火温度为500℃和550℃处理的薄膜的透光率的比其他退火温度下的都要高,最高透光率达89%。但是随着退火温度的上升达到600℃和650℃，最大透光率下降至85%左右。分析原因是由于在较高的退火温度下，薄膜内的原子在此温度下获得能量在表面发生迁移，晶粒得到增长，晶粒间的空隙就小，缺陷密度变小。但是过高的退火温度使得ZnO薄膜在高温下分解，分解更严重时会干扰锌原子、氧原子的平衡，改变了ZnO薄膜内部结构，导致薄膜内部缺陷密度增加，存在着过多晶界，增加薄膜的散射机制，使其在可见光范围内的透过性变差[7]。在可见光波段内，ZnO薄膜始终表现出很高的透射率，在透明电子器件中的应用中具有实际意义。
假设ZnO薄膜中价带和导带之间是直接跃迁的，则吸收系数和光子能量的关系可表述为： ，式中 为吸收系数， 为直接跃迁带宽，C为常数， 为入射光子能量。图4的插图所示是 的关系曲线图。从插图所示，曲线是符合线性拟合，即此曲线与直线近似，即假设ZnO是直接跃迁型是恰当的。将此直线外延长至 轴，即可确定出禁带宽度 。由图3的插图可知在空气氛围下退火处理，各吸收边随温度的升高光学禁带宽度基本保持不变，退火温度为550℃的薄膜的禁带宽度约为3.25eV。此值低于文献报道的ZnO薄膜3.37eV,这是由于载流子浓度变化所致。ZnO薄膜样品的载流子浓度在空气氛围下退火处理比在富氧氛围下的退火处理来得低，会产生Burstein-Moss飘移，使得光学带隙变窄[8]。
3 结语
利用Sol—gel法在ITO玻璃的衬底上制备ZnO薄膜，并利用AFM和紫外可见分光光度计(UV)对其进行表征，研究不同的退火温度对ZnO的光学性质和表面形貌的影响。经实验结果分析，随着退火温度的升高，透射率先上升后下降，而禁带宽度基本保持不变通过实验结果对比，摸索出在ITO玻璃衬底制备ZnO薄膜最适宜的生长条件参数。充分了解并掌握了退火条件对薄膜结晶情况的影响及其如何来实验薄膜的最佳生长,并验证出当退火温度为550℃时制备出ZnO薄膜结晶质量较好， 表面光滑，透射率约为90%，禁带宽度约为3.25eV。
参考文献
[1] 邓蕊.ZnO基光电薄膜的物性研究及光电器件的设计与制备[D].长春：吉林大学，2011；
[2] 鲍善永，董武军，徐兴，等. 氧分压对Mg掺杂ZnO薄膜结晶质量和光学特性的影响[J]. 物理学报，2011,60(3)：1-7.
[3] 解群眺，毛世平，薛守迪.退火对ZnO薄膜结构及缺陷的影响[J].压电与声光,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.
[5] 孙利杰. ZnO薄膜的掺杂和光电性质研究[D].合肥：中国科技大学,2010.
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[8] 彭福川，林丽梅，郑卫峰，等. 氧分压对射频磁控测射制备氧化锌薄膜光电性质的影响[J].福建师范大学学报（自然科学版），2011,27(1)：52-56.
