ZnO薄膜的掺杂Al性能研究

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薄膜厚度对Al掺杂ZnO薄膜性能的影响

ｍａｎｔｎｓｕｔｒｇｓｓｅａｄｔｅｔｉｋｅｓｄｐｎｅｃｆｓｒｃｕａ，ｅｅｔｃｌｎｐｉａｐｏｅｔｓｏｅＺｌｇｅｒｐｔｉｙｔｍｎｈｈｃｎｓｅｅｄｎｅｏｔｔｒｌｌｃｒａｄｏｔｌｒｐｒｅｆｔＡＯｆｍｓｏｅｎｕｉａｃｉｈｉｗｅｅｓｕｉｄｉｅａｌｈＡＯｔｉｌｗａｒｐｒｄｂｓｎｈｐｉｍａａｔｒｎｔａｅａｑｉｄｔａｈｒｔｄｅｎｄｔｉ．ＴｅＺｈｎｆｍｓｐｅａｅｙｕｉｇｔｅｏｔｉｍｕｐｒｍｅｅ，ａｄｉｃｎｂｃｕｒｈｔｅｅｔｉｆｍｈｃｎｓａｂｕ０ｍ．ｔｅｒｓｓｖｔｓ１６ｌｔｉｋｅｓｗｓａｏｔ０ｎ５ｈｅｉｔｉｗａ．８×１Ｑ・ｍｎｅｔｎｍｉｉｉｎｖｓｌｅｉｎｗａｂｕｉｙ０一ｃａｄｔｒｓｓｖｔｉｉｂｅｒｇｏｓａｏｔｈａｓｙｉ
ＬＸｅ／ｕ一， Ⅳ Ｑｎ— ｕＣｌｉｉｉｙｎ，Ｕ —ｌｇＬｎ
（ｃｏｌｆｃｎｅ，ｎｎＵｉｅｓｙｏｅｈｏｇ，ｎｎＺｕｈｕ４２０，ＣｉａＳｈｏｏＳｉｃｓＨｕａｎｖｒｉｆｃｎｌｙＨｕａｈｚｏ１０８ｈ）ｅｔＴｏｎＡｂｔａｔＴｅＺＯ：１ＺＯ）ｆｍｓｉｉｅｅｔｈｃｎｓｗｒｄｐｓｅｎｇａｓｓｂｔｔｓｇａＤｅｃｉｓｃ：ｈｎＡ（ＡｒｉｔｄｆｒｎｉｅｓｅｅｏｉｄｏｌｕｓａｅｕｉＣｒａｔｅｌｗｈｆｔｋｅｔｓｒｓｎｖ

Al掺杂原子分数及退火温度对ZnO薄膜光学特性的影响

备掺Ａｌ的溶液，根据需要将一定量九水硝酸铝（（。。・９Ｏ）于无水乙醇中制成透明溶液Ｂ，将其Ａ１ＮＯ）Ｈ。溶再
加入Ａ中，制成０４ｍｏ的溶液Ｃ。实验中以蓝宝石（０１Ａｌ０调．ｌ００）。３作为衬底，用旋转涂覆技术进行涂膜，采先在较低转速下向衬底滴加溶液，然后在４００ｒｍｉ０／ｎ的转速下旋转３，成的湿膜在３０℃ 下预处理１０Ｓ形０５
Ａｌ杂原子分数及退火温度对掺ＺＯ薄膜光学特性的影响ｎ
薛书文，祖小涛，陈美艳，邓宏。向霞，徐自强。，
（．电子科技大学应用物理系，成都６０５；２１１０４．湛江师范学院物理系，广东湛江５４４；２０８
ｍｉ，ｎ然后进行第二次涂膜，复多次（反本实验采用１膜）直至达到所需厚度。最后，２层，将样品在空气中于５０５
还原气氛中进行，而在Ａｒ惰性气体气氛中的退火研究较少。
本文利用溶胶凝胶法在（０１Ａ１Ｏ衬底上制备了ＺＯ：薄膜，品在Ａｒ氛中进行了６０９０℃ ００）。。ｎＡｌ样气０～５
不同温度的退火处理，室温下测量了样品的光致发光光谱、收光谱和透射光谱，究了掺杂原子分数和退火吸研
比Ｇａ２Ｖ）Ｎ（５ｍｅ大很多，这使得ＺＯ在室温下可以实现激子发光。ＺＯ薄膜结晶质量对其光电特性有很大ｎｎ

掺杂Al对DC反应溅射ZnO薄膜的影响

Ａ１ｌｍｅｔｔｒｅｓｎｔｅｉｉａｔｇｆＡＩｄｐｎ，ｔｅｉｔｒｐａａｉｔｎｅｈｐｉａｅｒｃｉｅｉｄｘａｄｔｅｅｎａｇｔ．Ｉｈｎｔｌａｅｏｏｉｇｈｎｅ－ｌｎｒｄｓａｃ，ｔｅｏｔｌｒｆａｔｎｅｎｈｅｉｓｃｖｂｎ — ａｈｎｅｉｎｆａｔｙａｄｇｐｃａｇｄｓｇｉｉｎｌ．ＴｈｎｓＡＩｏｔｎｎｒａｅ，ｔｅｏｔａｅｒｃｉｅｉｄｘａｄｔｅｂｎ－ａｈｎｅｃｅ，ａｎｅｔｉｃｅｓｓｈｐｉｌｆａｔｎｅｎｈａｄｇｐｃａｇｃｃｒｖｓｏｙｎｈｎｅ－ｌｎｒｉｔｎｅｒａｈｓａｓａｌａｕｆ．６ｎｌｗｌ，ａｄｔｅｉｔｒｐａａｓａｃｅｃｅｔｂｅｖｌｅｏ２ｍ．Ｔｈｎｌｓｓｒｖａｔａｌｏｏｅｔｄ０６ｅａａｙｅｅｅｌｈｔａｌｆｐｄＡ１ — ｄａｏｒｖｄａｒｅｓｄｎｒ，ａｄｔｅｒｓｌｌｏｉｄｃｔｈｔｔｅｃｎｕｔｉｆｔｅｆｍｓｍａｎｙｄｐｎｓｏｈｍｓｐｏｉｅｃｒｉｓａｏｏｓｎｈｅｕｔａｓｎｉａｅｔａｈｏｄｃｉｔｏｈｉｉｌｅｅｄｎｔｅｓｖｙｌｃｒｉｒｌｃｌａｉｎｃｕｅｙｔｅｌｔｉｅｄｆｃｓａｒｅａｉｔａｓｄｂｈａｔｅｅｔ．ｏｚｏｃＫｅｒｓＺＯｉ；ｅｉｔｉｙｒａｔｎｓｕｔｒｙｗｏｄ：ｎｆｍｒｓｓｉｔ；ｅｃｉｐｔｅｌｖｏ

Al掺杂ZnO薄膜的微结构及光学特性研究

的。实验所用靶材为纯度优于９．９Ｚ９９ｎ靶（径直６ｍｍ，度４０厚ｍｍ）样品ａｂＣｄ表示Ａｌ，、、、的掺杂面积分别为０２５、．和１．（形Ａｌ的面积与、．５０００扇片溅射靶的面积比）所对应的Ａｌ，的掺杂浓度分别为０、０９、．６和３７（子分数）靶与衬底距离．０１６％．８原，
ｍｉ，射功率为１０，积时间１，底温度ｎ溅０Ｗ沉ｈ衬
２０。并进行４０真空退火１。样品的结构特性０℃ ０℃ ｈ用英国Ｂｄｅｅ公司制造的ＢｄＤ１多功能Ｘ射线衍射ｅｅ
仪（ＲＤ；ｕ＝０１４５ｎ进行表征；品的表面ＸＣＫａ．５０６ｍ）样
文章编号：０１９３（ＯＯ０ —３７０１０－７１２１）８１１ —４
１引言
近年来，人们开始对ＺＯ薄膜，别是Ａ１杂氧ｎ特掺
形貌采用扫描电子显微镜（ＥＳＭ）进行观察；薄膜的可
化锌（ｏ）膜研究有了浓厚的兴趣。大部分文献报ＡＺ薄道，溶胶一胶和射频磁控溅射等方法ｌ可制备用凝＿１ＡＺ薄膜，射频溅射法制备ＡＺ薄膜所用靶材为Ｏ且ＯＺＯ：ｎＡ１陶瓷复合靶。与此不同，笔者采用将高纯度
孟军霞等：掺杂ＺＯ薄膜的微结构及光学特性研究Ａｌｎ

退火温度对Al掺杂ZnO薄膜结构和性能的影响

收稿日期：２１６１０卜０ — ２
ห้องสมุดไป่ตู้
基金项目：湖南省教育厅科研基金资助项目（９３１０Ｃ２）作者简介：李雪勇（９３，男，湖南嘉禾人，湖南工业大学讲师，中南大学博士生，主要从事光电功能薄膜材料的研究，１７－）
第２卷第５期５２１年９０１月
湖
南
工
业
大
学
学
报
Ｖｏ．５ＮＯ５１．２Ｓｐ０１ｅ．２１
ＪｕｎｌｆｎｎＵｎｖｒｉｆｃｎｌｇｏｒａｏＨｕａｉｅｓｙｏｈｏｏｙｔＴｅ
退火温度对Ａ掺杂ＺＯ薄膜结构和性能的影响ｌｎ
物（ｒｎｐｒｎｃｎｕｔｇｏｉｅＣｔｓａｅｔｏｄｃｎｘｄ，ＴＯ）ａｉ薄膜也随之
ＺＡ）在可见光区域内具有较高的透射率和较低的Ｏ电阻率，与ＩＯ薄膜相比，ＺＴＡＯ薄膜中的ＺＯ价格ｎ便宜，来源丰富，无毒，在氢等离子体中的稳定性
ＡｂｔａｔｈｎＡＩＺｓｒｃ：ＴｅＺＯ：（ＡＯ）ｆｍｓｒｅｏｉｄｏｌｓｂｔｔｓｙｕｉｇａＤＣａｔｅｍａｎｔｏｐｔｒｉｅｄｐｓｅｎｇａｓｕｓａｅｓｒｃｉｇｅｒｎｓｕｔ — ｌｗｅｔｓｒｂｎｅｖｅ
ｓｎ等材料自然储量少，且ＩＯ薄膜制备工艺复杂、成Ｔ
本高、有毒、稳定性差，从而限制了它在实践中的广泛使用。Ａ掺杂的ＺＯ透明导电薄膜（ｎＡ１ｌｎＺＯ：，

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。

Al_N共掺杂制备ZnO薄膜及其性能研究

总酚 0.0227 0.2041 -0.113 -0.0113 -0.2228 0.0387 -0.5993
总黄酮 0.1514 0.1555 0.0386 0.036 -0.4488 0.1378 -0.5993
白藜芦醇 -0.0732 0.1845 -0.0039 -0.2102 -0.173 -0.1516 0.0223
半峰宽、2θ 衍射角、衍射峰强度
衬底温度 (℃)
FWHM(°)
2θ(°)
Intensity
RT
0.4143
34.71
306.667
150
0.2985
34.76
6976.67
250
0.2842
34.81
12760.56
300
0.2752
34.89
14833.33
2012 年第 32 期（总第 47 期）
的离子获得更高的能量来优化组合，使结晶效果变好。而随着温度进
一步提高，分子的蒸发影响了薄膜的结晶和表面特性的进一步提高。
通过 Scherrer 公式的计算，列出表 1，给出了所制备的 N 掺杂 ZnO
薄膜的结构参数。
（下转第 46 页）
表 1 不同衬底温度下制备的 Al-N 共掺杂 ZnO 薄膜的
项目与课题
Science & Technology Vision
科技视界
2012 年第 32 期（总第 47 期）
Al- N 共掺杂制备 ZnO 薄膜及其性能研究
（1.牡丹江师范学院
黑龙江
赵文海 1，2 李敏君 1 赵祥敏 1 张伟 1 牡丹江 157012；2.牡丹江师范学院新型碳基功能与超硬材料省级重点实验室

Al—N共掺ZnO：Co纳米薄膜的制备及其性能研究

Al—N共掺ZnO：Co纳米薄膜的制备及其性能研究利用共溅射技术在石英玻璃衬底上沉积前驱体氮化物，在真空优于4×10-4Pa 时、对前驱体氮化物分别在450℃、550℃、650℃温度下热氧化45min后获得Al-N共掺杂ZnO：Co薄膜，利用XRD分析薄膜样品呈六方纤锌矿结构，氧化温度为650℃结晶质量最好；使用双光束紫外/可见分光光度计测量薄膜的吸收谱，计算得到在热氧化温度为450℃、550℃、650℃下制得的薄膜样品带隙分别为3.18、3.06、3.10eV；利用振动样品磁强计对样品的磁性进行测试，结果表明样品在室温下具有铁磁性，当热氧化温度为450℃时，磁学性能最好。

标签：共溅射；热氧化；Al-N共掺；光学带隙；磁学特性1 概述ZnO作为一种透明的宽带隙半导体材料，其禁带宽度约为3.37eV，室温下具有60meV的激子结合能使其在光电应用方面有着广阔的前景[1-3]。

自从Dietl 等[4]和Sato等[5]通过理论计算认为过渡金属（Mn、Fe、Co和Ni等）掺杂的ZnO基DMS（Diluted magnetic semiconductors）可能具有高居里温度的铁磁性以来，因其能同时利用电子的电荷属性和自旋属性，使ZnO基DMS被认为是制作下一代半导体自旋电子器件的主要材料[6]。

文章用热氧化[7]辅助磁控溅射[8]实验制备了N掺杂的ZnO基稀释磁性半导体[9-12]，这种制备方法是以Zn3N2薄膜作为前驱体，通过调节氧化参数来控制样品中N的含量，且提高了Co在ZnO中的固溶度、降低了C、H等元素的污染，同时抑制了ZnO的水解反应，优化了ZnO的性质，分析了样品的结构、光学与磁学性质。

2 实验采用JDZ045CB01型磁控溅射与电阻炉联合系统，利用射频、直流共溅射的方法在石英玻璃衬底上沉积Al-N共掺ZnO：Co薄膜，具体过程分为两步。

第一步为溅射：射频溅射靶材为ZnAl合金靶（纯度为99.99%，其中Al的含量为0.1%）其尺寸为Φ60mm×5mm、溅射功率为70W，直流溅射靶材为Co 金属靶（纯度为99.99%），溅射功率为8W。

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（1）成膜速率高，膜的附着性好；
（2）可适用于多种涂膜材料，包括各种合金化合物；
（3）适用于各种不同的基材和形状；
（4）可实现大面积镀膜。[3]
此方法的缺点：
（1）绝缘靶会使基板温度上升；靶子的利用率低，这是因为靶子侵蚀不均。
（2）不能直接地实现强磁性材料的低温高速溅射。
Al掺杂ZnO薄膜的意义
通常ZnO存在各种缺陷，它们严重影响了半导体材料的电学和光学性能。未掺杂ZnO材料通常表现为n型导电特性，一般认为是由于氧空位和间隙锌等本征点缺陷的存在而导致的。近年来，由于Al掺杂的ZnO薄膜(ZAO)具有与ITO薄膜相比拟的光电性能，即可见光区的高透射率和低电阻率，同时又因其价格较低以及在氢等离子体中的高稳定性等优点，已经成为替代昂贵的ITO薄膜的首选材料和当前透明导电薄膜领域的研究
掺Al并没有改变ZnO薄膜的晶体结构，而是取代了Zn的替位掺杂。ZAO薄膜具有c轴高度择优取向的六方纤锌矿结构，配位数为4。对ZAO薄膜的光电子能谱(XPS)分析表明，薄膜中Al以Al3+的形式存在，Zn以Zn2+，O以O2-的形式存在。俄歇能谱分析表明，薄膜中Zn与O的原子比在整个厚度中基本保持不变，其值大于1，说明薄膜内处于缺氧状态。在ZAO薄膜中Al3+对Zn2+的部分替换使ZAO薄膜的晶格常数c发生了变化，但薄膜仍然表现为c轴高度择优取向。
热点之一。
通过采用溶胶-凝胶方法在玻璃上制备ZAO薄膜，用SEM对薄膜进行表征得出不同铝掺杂浓度下薄膜的表面形态，用XRD表征生长的取向，研究了不同浓度和热度处理的条件对薄膜取向和结晶的影响，可以发现氧化锌压电薄膜的性能发生了影响：1%铝掺杂浓度条件下ZAO薄膜的结晶性与微观组织结构，其c轴择优取向性较好；在进行热处理100ºC并退ห้องสมุดไป่ตู้600ºC以上的条件下制备出的ZAO薄膜，其c轴取向都较优，单晶结晶较好，且光学透射性能较佳。
在ZnO中掺杂Al之后，可以形成ZnO:Al（ZAO）薄膜。由于ZnO晶体结构比较开放，半径较小的组成原子容易变成间隙原子，Al的离子半径为0.53埃，比锌的离子半径(0.74埃)小，所以Al原子容易成为替位原子而占据Zn原子的位置，也容易成为间隙原子而存在。在ZnO中掺Al之后，其导电性能大幅度提高，电阻率下降，而且在可见光区的平均透过率在85％以上，完全可以与ITO薄膜相媲美。
至今ZnO和ZAO薄膜有很多种制备方法，其中包括：磁控溅射法、脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）、超声喷雾热解及溶胶凝胶法（Sol-gel）等制备工艺。其中，磁控溅射应用较为广泛和成熟。磁控溅射法（Magnetron sputtering）是研究最多和应用最广泛的方法。制备ZnO薄膜时，是以Zn或ZnO为靶，而在ZAO薄膜的磁控溅射过程中，靶材可以用Zn/A1合金靶，也可用ZnO/A12O3氧化物陶瓷靶，在O2或O2/Ar气氛下，利用磁控射频溅射，将其沉积到基片上的方法。磁控溅射法的优点：
ZnO薄膜的掺杂Al性能研究
ZnO薄膜是一种具有广泛应用前景的材料，国际上也涌现出许多以ZnO为研究重点的科研小组，开展了许多相关的科研工作。ZnO薄膜由于量子空间局域作用使得大量电子被束缚在晶界处，表现出很强的界面效应，使其比体材料及其它金属氧化物材料有更高的导电率，透明性和传输率。氧化锌薄膜作为一种优异的光电和压电相结合的电子信息材料，它在压电转换，光电显示以及集成电子器件等方面有广泛的应用。拥有优良的压电特性，一直在SAW器件中的到应用。此外还可用作紫外光探测器，发光器件，传感器件，太阳能电池的透明电极等。
ZnO压电薄膜具有很好的性能，在实际应用领域里具有非常重要的地位。ZnO薄膜作为一种良好的半导体器件，可以与多种半导体器件实现集成化，因此受到人们的极大关注，具有广阔的发展前景。对应于不同器件的制作要求，选用不同的生长方法得到高质量的ZnO薄膜，同时改进器件的制作工艺，提高器件质量将仍是今后其研究的重点。C轴取向和表面粗糙度对薄膜压电特性有很大影响，高度c轴取向生长和表面粗糙度较小的，ZnO薄膜表现出更好的压电性质。同时掺杂的研究如铝和锂的掺杂能一定程度改观ZnO压电薄膜的某些特性，从而使ZnO压电薄膜更好的在实际中得到应用。元素掺杂带来的性能上的改良和新应用也是当今ZnO压电薄膜的研究热点。ZnO压电薄膜还有巨大的发展和研究空间，其性能更是有待突破传统的ZnO压电薄膜性能，进入新的研究领域和新的突破。