ZnO薄膜的主要性质

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ZnO薄膜

ZnO薄膜
溶胶-凝胶法可以用于 ZnO 薄膜气敏元件的制备和大 面积太阳能电池中电极的制备。它的特点是容易实现多种 元素的掺杂,可精确控制掺杂水平,成膜均匀性好,对衬 底的附着力强,而且无需真空设备,成本低,适合批量生 产。但溶胶-凝胶法生长的 ZnO 薄膜结晶质量不太好,而 且该技术不能与平面 IC 工艺兼容,这就制约了溶胶-凝胶 法的发展。
喷雾热分解(Spray Pyrolysis)是由制备太阳能透明 电极而发展起来的一种方法。由于用溅射法产生的离子能 量高,在制备大面积电极时容易损伤衬底,所以喷雾热分 解法得以发展。喷雾热分解是利用喷雾热分解装置将醋酸 锌的水溶液或有机溶液喷雾沉积于基片上,并在高温下分 解形成 ZnO 薄膜的工艺。
3,ZnO 薄膜在太阳能电池方面的应用
ZnO 薄膜尤其是 AZO(ZnO:Al)膜,具有优异的 透明导电性能,在可见光波长范围内的透射率可达 90% 以上,可与 ITO(In2O3:SnO2)膜相比。而且,相对于 ITO 膜,AZO 膜具有无毒,无污染,原料丰富,价格便宜, 稳定性高(特别是在氢等离子体中),正逐步成为 ITO 薄 膜的替代材料,在显示器和太阳能等领域得到应用。目前, ZnO 薄膜主要是作为透明电极和窗口材料用于太阳能电池, 而且 ZnO 受到高能粒子辐射损伤较小,因此特别适合于 太空中使用。
ZnO 薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、 气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。 由于这些优异的性质,使其具有广泛的用途和许多潜在用 途,如表面声波器件、平面光波导,透明电极,紫外光探 测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件、气敏传感器 等
ZnO 是一种Ⅱ-Ⅵ族氧化物材料,其稳定相的晶体结构为六角纤锌矿(Wurtzite) 结构,具有六方对称性。Zn 原子和 O 原子各自按六方密堆方式排列,每一个 Zn 原子位 于四个相邻的 O 原子所形成的四面体间隙中,但只占据其中半数的 O 四面体间隙,O 原 子的排列情况与 Zn 原子相同。两种六方密堆晶格在空间相互套构形成晶胞,其晶格点阵 示意图如图 1.1(b)所示。ZnO 的分子结构类型介于共价键与离子键之间,c 轴方向具 有很强的极性[7]。Zn 面和 O 面在(0001)方向按…ABABAB…方式密堆积而成,从而 形成两个不同的面(0001)和(0001),分别代表 Zn 极性面和 O 极性面,如图1.1(a) 所示,其物理化学特性差别很大。这种非对称中心结构,使ZnO 具有压电性。在室温下, 当压强达到 9 Gpa 左右,纤锌矿结构的 ZnO 转变为四方岩盐结构,近邻原子数由 4 增 加到 6,体积相应缩小 17%。这种高压相当外加压力消失时会保持在亚稳状态,不会立 即重新转变为六方纤锌矿结构

ZnO薄膜的结构、性能及其应用[1]

ZnO薄膜的结构、性能及其应用[1]

1 −x(Al2O3) 陶 瓷 Nhomakorabea靶 材x
复合,促进光生载流子的产生并延长了 载流子寿命,得到了较强的光电流。 znO 薄膜的外延生长温度很低,有利于 降低设备成本,提
卷第期
由于 ZnO 具有较大的激子束缚能,特别是与 GaN 比较而 言(ZnO 为 60meV,GaN 为 25meV) ,因此,作为发光材料, ZnO 比 GaN 发光更明亮,使得 ZnO 在光电器件方 面的应用吸 引了科研人员更大的注意。另外,由于 ZnO 激子具 有很好的稳
参考文献: 0 50
赵印中等 : zn0 薄 膜的结构、 性 能及其应用 卩]韩鑫,于今· zn0:Al(ZAO)透明导电薄膜国内的研究现状江苏冶金,2 6,34(5) : 4 一 8. [2]李海风· znO 的用途及其薄膜的制备方法[J],天津职业大学学报,2 開 6,巧 (3) :37、41 ·
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1引
zn0 不仅能制成良好的半导体和压电薄膜,亦能通过掺杂制成良好的透明导电薄膜,且原料易得、价廉、 毒性小、制备方法多种多样,可以适应不同需求,已成为一种用途广泛、最有开发潜力的薄膜材料之一。目 前,研究 znO 材料的性质涉及许多领域,其中包括透明导电膜(TCO) 、表面声学波(SAW)器件、光激射 激光器、气敏传感器、紫外光探测器、显示以及与 GaN 互作缓冲层等方面“。 制备 znO 薄膜的传统方法有磁控溅射、化学气相沉积及溶胶凝胶法等,新方法有激光脉冲沉积法 (PLD) 、分子束外延法(MBE)等。采用不同的制备技术、工艺参数,制备的 zno 薄膜的结晶取向、薄膜厚 度、表面平整度以及光电、压电等性质各有区别。虽然不同方法制备的 zno 薄膜的性能各有优缺点,但从结 晶情况来看,以有机金属化学气相沉积(MOCVD) 、PLD、原子层外延生长(A)法制备的薄膜质量较好。 2 氧化锌薄膜的结构 znO 为宽带隙半导体,禁带宽度约 3 · 3 ev,晶体结构为六方形纤锌矿结构(图 1) 。优质的 znO 薄膜具有 c 轴择优取向生长的众多晶粒,每个晶粒都是生长良好的六方形纤锌矿结构。 图 2 是楼晓波等[4 采用 sol-gel 法制备的 znO 薄膜的 XRD 谱。可以看出,与标准的 znO 粉末样品的衍 射谱相比较,涂覆 10 层与 20 层的薄膜均出现了明显的与(100) 、 (002)和(101)晶面相对应的衍射峰, 说明样品均为六方纤锌矿结构。

ZnO薄膜的物理性质与制备方法研究

ZnO薄膜的物理性质与制备方法研究
OUYANG ic n YE Zhiq n W U Gu — a g, — i g, Mu—h n se g
( . o eeo P yi n o m n ai 1 C lg f hs sadC m u i t n& Eet nc , agi om l n esyJ nx N n hn 3 0 2P C; l c c o l r i J nx N r a U i r t,i gi acag3 02 R co s i v i a 2 K yLbrt yo ht l t nc& T l o muiao f i gi rv c . agi ac ag3 0 2 R . e aoa r f o e c oi o P oer ee m nct no a x Poi e J nx N nhn 3 0 2P C) c i Jn n i
法、 喷雾热 解法、 分子束外延法、 原子层 外延生长法。
关键词 :n Z O薄膜 ; 物理性质 ; 制备 方法
中 图 分 类 号 :N 0 .5 T 3 05 4 文献标识码 : A
S u y o y ia o r isa d Gr wt eho fZnO t d n Ph sc lPr pe te n o h M t dso Thi l n Fim
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第2 6卷
第 1期

西


Vo . 6 No 1 12 .
F b 2 o e.o8
20 0 8年 2月
JA Ⅸ I S ENCE I NC CI
文章编号 :0 1— 6 9 20 ) 1— 1 1 0 10 3 7 (0 8 0 0 6 — 4
熟, 并且几乎所有 的现有制膜技术都可用于生长 Z O薄膜 。如 上所 述 ,n n Z O材 料 的研 究应 用 涉 及 许多领域 , 很显然 , 制备技术及工艺参数决定着 薄 膜 的性 能 , 而不 同的应 用对 Z O薄膜 的薄膜 厚 n

ZnO薄膜的制备与性能研究

ZnO薄膜的制备与性能研究

ZnO薄膜的制备与性能研究ZnO是众所周知的一种半导体材料,近年来,它的应用领域不断扩大,包括光电技术、传感器技术、气敏技术、生物技术等领域。

其具有较高的透明度、电阻率、热稳定性和高电子迁移率等优异特性,使得其在各个领域中拥有巨大市场前景。

在这些应用中,ZnO薄膜则是ZnO材料的重要组件之一。

本文主要探讨ZnO 薄膜的制备及其性能研究。

一、ZnO薄膜制备方法1.溶胶-凝胶法ZnO薄膜制备的一种常见方法为溶胶-凝胶法。

该方法主要涉及将预先制备好的ZnO溶胶放置于合适的基底上,然后通过热退火的方式完成ZnO薄膜的制备。

使用该方法,可以获得良好的薄膜质量和较大的薄膜面积,同时可以随意控制薄膜厚度。

2.物理气相沉积法物理气相沉积法是ZnO薄膜制备中最常用的方法之一。

其主要通过采用物理气相沉积设备将高温气体通入反应室,然后将蒸汽通过传输管道沉积在基底上完成ZnO薄膜的制备。

该方法具有制备ZnO晶体中空气杂质较少、晶粒精细等显著的优点。

3.MBE法MBE法是利用分子束外延设备在超高真空环境下生长晶体的方法。

该方法制备的ZnO薄膜具有非常高的晶体质量。

然而,需要难以实现的极限条件,如超高真空环境和较高的晶体表面温度。

二、ZnO薄膜性能研究1.光电性能ZnO薄膜是光学和电学交叉的半导体薄膜。

关于ZnO薄膜的光学性能,已有许多研究。

例如,有研究人员证实了ZnO条纹薄膜在光学上具有比等宽薄膜更高的透射比,这是由于条纹薄膜的形态依赖性的折射率引起的。

此外,ZnO薄膜具有优越的光电转换性能,可用于太阳能电池、传感器等领域。

2.气敏性能ZnO薄膜的气敏性能是其另一个重要的应用领域,具有广泛的市场前景。

研究表明,ZnO薄膜的气敏性能受到薄膜厚度、沉积温度和掺杂类型等多个因素的影响。

例如,掺杂ZnO薄膜的气敏性能不仅可以提高灵敏度,还可以增加电阻率等方面的特性。

3.化学性质关于ZnO薄膜的化学性质,研究人员通常需要从其表面性质、表面反应等多个方面进行分析。

氧化锌与氧化锡

氧化锌与氧化锡

氧化锌与氧化锡氧化锌(ZnO)薄膜的性能分析(1)来源:兰州物理研究所表面工程技术国家级重点实验室编辑:赵印中ZnO具有熔点高、制备简单、沉积温度低和较低的电子诱生缺陷等优点。

硅基生长的ZnO 薄膜有希望将光电子器件制作与传统的硅平面工艺相兼容。

另外,在透明导电膜的研究方面,掺铝ZnO 膜(ZAO)也有同ITO 膜可比拟的光学电学性质,可在光电显示领域用来作为透明电极。

ZnO薄膜的高电阻率与单一的C 轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数,可用作各种压电、压光、电声与声光器件。

具有中等大小电阻率的ZnO 薄膜是一种n 型半导体,其与一种适宜的p型半导体相结合可以在太阳能光电转换领域中作为一种异质结。

因具有电阻率随表面吸附的气体浓度变化的特点,ZnO 薄膜还可用来制作表面型气敏元件。

通过掺入不同元素,可应用于还原性酸性气体、可燃性气体、CH 族气体探测器、报警器等。

此外,它还在蓝光调制器、低损失率光波导、液晶显示、光催化、电子摄影机、热反射窗等领域具有潜在应用。

1、氧化锌(ZnO)薄膜的光学性能ZnO 薄膜在可见光范围内光透射率高达90%,可以用作优质的太阳电池透明电极,然而它在紫外(UV)和红外(IR)光谱范围内透射率都比较低,这一性质被用作相应光谱区的阻挡层。

图3 是沉积ZnO 薄膜的样品与其基材石英玻璃片透射率的比较,内插图为400-750 nm 的可见光范围的结果比较。

可以看出,在410~750 nm 的区间内,沉积ZnO 薄膜的样品,其透射率均大于石英的透射率,最大可提高2.3%。

由此可知制备出的ZnO 薄膜已经在一定程度上起到了增透膜的效果,这一结果有望在太阳能电池中得到应用。

图4 是Al掺杂ZnO(ZAO)薄膜作为透明导电膜的透射光谱和红外反射谱。

作为透明导电薄膜的一个显著特性是在红外段的高反射率,能反射大部分的热辐射能量。

将其应用于电子器件中,可避免电子器件吸收太多能量而造成升温过快、过高,影响使用效果。

ZnO薄膜的制备及其光学性质的研究

ZnO薄膜的制备及其光学性质的研究
其次,我们研究了溅射功率对ZnO薄膜结构和光学性质的影响。通过X射 线衍射分析了ZnO薄膜的结构和结晶情况,结果表明,溅射功率分别为100W、 120W和150W条件下制备的ZnO薄膜均为c轴择优取向,增大溅射功率,有 利于提高薄膜的结晶质量。应用原子力显微镜研究了薄膜的表面形貌,分析了
山东建筑大学硕士学位论文
关键词:ZnO薄膜,射频磁控溅射,光波导,X一射线衍射,c轴取向
山东建筑大学硕士学位论文
Preparation and Investigation of Optical Properties of ZnO Films
ABSTRACT
Zinc oxide(ZnO)is an important II-IV compound semiconductor with a wide direct band gap of 3.3eV at room temperature and a large excitation binding enery of 60meV.ZnO films have many realized and potential applications in many fields, such as surface acoustic wave devices,transparent electrodes,ultraviolet photodetectors,light emitting diodes,piezoelectric devices,gas sensors and planar optical waveguides,etc,due to their excellent optical and piezoelectric properties.In recent years,with widespread developing in short wavelength luminescent devices,

ZnO压电薄膜的性能

ZnO压电薄膜的性能

ZnO压电薄膜的性能无机非金属材料工程 09120225 钟史伟摘要:ZnO薄膜是一种具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料,高质量的单晶或c轴择优取向的多晶ZnO薄膜具有良好的压电性质,能够用来制备高频纤维声光器件及声光调制器等压电转换器,在光电通信领域得到广泛的应用。

本文综述了氧化锌压电薄膜的性能及其性能影响因素,同时叙述了掺杂铝或者锂氧化锌压电薄膜的特性变化。

同时展望了氧化锌压电薄膜性能的广阔应用前景。

关键字:氧化锌;压电薄膜;性能;掺杂前言ZnO是一种Ⅱ一Ⅵ族半导体材料,其结构为六方晶体结构,密度为5.67g/cm,晶格常数u为0.32496 nm,c=0.52065nm.室温下其禁带宽度是3.3 eV,是典型的直接带隙宽禁带半导体。

ZnO化学稳定性好,材料来源丰富,价格低廉,通过掺杂具有很好的光电性能,是光电器件极具潜力的材料.例如:掺A1、In 的ZnO薄膜导电性好,透过率高,可以用于平板显示器和太阳能电池的透明电极;C轴取向的ZnO 薄膜可以用来制备低损耗的声表面波(SAW)滤波器等。

ZnO压电薄膜因其具有机电耦合系数大、插损小、温度稳定性好等优点而被广泛地用于制备声表面波(SAW) 滤波器。

现如今最广泛的是利用射频磁控溅射法制造的C轴定向的ZnO薄膜具有很好的压电性,高质量的ZnO压电薄膜在薄膜外观以及微观结构上都有较高的要求。

表面应光滑、致密、无微孔和裂缝;微观结构上,应是高度取向生长的多晶薄膜,晶粒细小,极性方向相同,并且堆积紧密.另外,还要求其化学性质稳定,硬度较高,内应力小。

氧化锌薄膜的特性依靠于生长的方法和各种参数。

未来,为了评估测量的属性必须将氧化锌薄膜应用于真实的应用领域。

因此,通过XRD,APM研究了溅射参数工艺对于氧化锌压电薄膜压电性能的影响。

1.氧化锌压电薄膜的性能1.1 氧化锌压电薄膜简介Z nO薄膜是一种具有广泛用途的材料,其性质随掺杂组分和制备条件的不同而表现出很大的差异性.目前对ZnO薄膜的研究主要集中在透明导电性压电性、光电性、气敏性、压敏性等方面.通过各种制备工艺和组分配比,在制备具有优良压电性能的ZnO薄膜、具有良好光电性能的透明ZnO薄膜以及具有良好气敏性能的ZnO 薄膜传感器材料的研究已取得了很大进展。

ZnO薄膜的光电性能及应用

ZnO薄膜的光电性能及应用

ZnO薄膜的应用
压电传感器
所示ZnO压电薄膜表面 微机械传感器示意图。这种 新结构的器件既充分发挥了 表面微机械加工技术的优点, 又可利用ZnO材料的多功能 特性,与用体微机械技术制 作的集成化ZnO器件相比,可 大大简化其制作工艺和减小 器件尺寸,为研制集成ZnO薄 膜器件提供了一种有效的手 段。
空穴旋转,与氢原子类似。
ZnO的光致发光谱通常有紫外发射带和可见光发射带。紫外发射
带是来自于近带边的发射,是由于激子的复合。可见光发射带通常
与缺陷或杂质有关的深能级有关。
ZnO薄膜简介
ZnO薄膜主要用于太阳能电池,它与之前所 用的氧化铟锡( ITO) 和二氧化锡透明导电薄膜 相比,具有生产成本低,无毒,稳定性高( 特 别是在氢等离子体中) , 对促进廉价太阳电池 的发展具有重要意义 。
ZnO薄膜的应用
湿度传感器
右图为ZnO薄膜湿 度传感器的结构示意 图。它是在陶瓷、玻 璃等绝缘基片上形成 一对叉指的检测电极, 再在叉指电极上部覆 盖用作湿敏元件的 ZnO薄膜。
ZnO薄膜湿度传感器的结构
ZnO薄膜的应用
ZnO镀膜光纤传感器
右图所示为ZnO镀膜 光纤传感器的几何结构, 其中的压电层为氧化锌 镀膜层,当内电极层和 外电极层之间的电压发 生变化时,光纤内产生 振荡声波,使得光纤的 折射率改变,在有光信 号通过时,其相位发生 变化,其本质是一种声 光谐振器。
ZnO薄膜的光电性质
纯净的理想化学配比的ZnO由于带隙较宽,是绝缘体,而不是 半导体,但是由于本身的缺陷,如氧空位、锌填隙等施主缺陷,使 其常常表现出N型导电。 在ZnO晶体的空位形成过程中,由于形成氧空位所需的能量比形 成锌空位所需的能量小,因此,在室温下ZnO材料通常是氧空位, 而不是锌空位。而氧空位产生了2价施主,使其表现出N型导电。同 时根据自补偿原理,氧空位的浓度和氧填隙的浓度之积是常数,当 氧空位的浓度很大时,氧填隙的浓度很小。锌空位的浓度较小,而 锌填隙的浓度则较大,因此,当在ZnO的晶体中氧空位占主导时, 表现出N型导电。
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书山有路勤为径,学海无涯苦作舟
ZnO 薄膜的主要性质
于激子带边发射,绿光发射则与ZnO 表层中以O 空位为主的深能级有关。

ZnO 在可见光波段的吸收和发射光谱可参见文献。

电学性质未掺杂ZnO 薄膜室温载流子浓度主要取决于充当浅施主的间隙Zn
原子浓度。

ZnO 薄膜的p 型掺杂是个备受关注的课题。

Y.R.Ryu 等人用PLD 法
在GaAs 衬底上掺杂As 制得p-ZnO,受主浓度为1017~1021cm-3,紧束缚带边发射峰分别在3.32 eV 和3.36 eV[17]。

M. Joseph 等人在400℃下用PLD 法进行Ga、N 共掺杂实现p 型转变,以ZnO(ω(Ga2O3)=5%)为靶材,N2O 为N 源, 进行电子回旋共振活化,p-ZnO 室温电阻率为0.5 Ω-cm,受主浓度为4 乘以1019 cm-3。

T.Aoki 用准分子激光掺杂技术获得p-ZnO。

ZnO 薄膜的电学特性与制备方法及后续工艺条件有直接的依赖关系。

电子束
蒸发制备的Al 掺杂ZnO 薄膜的电子浓度在1019~1021cm-3,室温电阻率为10-4 Ω-cm。

溅射法制备AZO 薄膜的电学特性与溅射功率有很大关系。

溅射
功率越大,薄膜的质量越好,这主要是因为溅射功率的提高有助于薄膜缺陷的减少,
增大晶粒尺寸,晶界的散射作用减轻,增大了载流子的平均自由程,从而使迁移率增大,薄膜的薄层电阻降低。

反应溅射过程中,氧分压太低,薄膜的缺陷密度较高;氧
分压太高,薄膜的电阻率上升很快,通常在1~2mPa 比较合适。

同样掺杂情况
下,ZnO 的施主浓度和受主浓度低于GaN,并且ZnO 的杂质、点缺陷以及位错的
浓度也低于GaN。

ZnO 主要有导带底以下30meV、60meV 和340meV 三个施主能级。

间隙Zn 原子是主要的浅施主,Vo 是深能级施主。

总之,在点缺陷和位错浓
度低的情况下,ZnO 薄膜有较好的电学性质。

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