粉末溅射制备N-In共掺p型ZnO薄膜

在石英玻璃衬底上以ZnO∶ In2O3粉末为靶材,采用射频磁控溅射法制备出具有良好c轴择优取向的ZnO∶ In薄膜,继而对样品进行二次N离子注入掺杂,成功实现N-In共掺p型ZnO薄膜.借助XRD、Hall测试、XPS和透射谱测试手段研究分析了共掺ZnO薄膜的晶体结构、电学和光学性质.结果表明制备的薄膜具有较高的结晶质量和较好的电学性能,其空穴浓度、迁移率和电阻率分别达到4.04×1018 cm-3、1.35 cm2V-1s-1和1.15 Ωcm.X光电子能谱(XPS)分析显示在p型ZnO薄膜里存在N-In键和N-Zn键,表明In掺杂可以促进N在ZnO薄膜的固溶,有利于N元素在ZnO薄膜内形成受主能级.另外,制备的ZnO薄膜在可见光范围内有很高的透射率,最高可达90%.其常温下的禁带宽度为3.2 eV,相对本征ZnO的禁带宽度略有减小.     

本征缺陷对ZnO:(In,N)薄膜p型导电的影响

采用射频磁控溅射和离子注入技术,在石英玻璃衬底上制备了In-N共掺ZnO薄膜[ZnO:(In,N)].通过优化退火工艺,成功实现了可重复的p型ZnO:(In,N)薄膜,其空穴浓度约为10~(16)cm~(-3),并观察到薄膜随退火产生n→p→n电学转变现象.利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)和光致发光谱(PL)等测试手段,研究了掺杂杂质和本征缺陷对薄膜结构和p型导电的影响.发现相较于n型样品,p型ZnO中N相关受主缺陷浓度并不占优,但其本征施主缺陷锌间隙(Zn_i)含量较少,本征受主缺陷氧间隙(O_i)和锌空位(V_(Zn))相对较多.表明薄膜中除N相关受主缺陷(N_O,In_(Zn)-nN_O)对p型导电有贡献之外,本征缺陷(V_(Zn),O_i,Zn_i)对实现薄膜p型导电也有重要作用.因此,如何调控ZnO中本征缺陷是实现其p型转变以及获得稳定p-ZnO薄膜的重要手段.     

Al-N 共掺杂p 型ZnO 薄膜制备及电学性能的研究

利用射频磁控溅射技术在石英玻璃上制备了ZnO:Al薄膜,继而N离子注入实现薄膜的Al-N共掺杂,随后进行了不同温度和时间的热处理。并借助X射线衍射(XRD)、霍耳测试(Hall)、X射线光电能谱仪(XPS)等手段对ZnO薄膜的性能进行了表征。实验结果表明,Al-N共掺杂ZnO薄膜在578℃退火8 min表现出较稳定的p型导电,其载流子数高达1×1018～6×1018个·cm-3,对应的电阻率为1～9Ω·cm,迁移率为1～2 cm2·V-1·s-1。与单掺N相比,实现p型导电所需的退火温度有明显降低,这很可能与Al的掺入有关。此外,XPS测试结果证实大量的Ni取代O空位是薄膜p型导电的根本原因。     

真空退火对ZnMnO：N物理特性影响的研究

利用金属有机源化学气相沉积（MOCVD）技术,在蓝宝石上外延了Mn-N共掺ZnO薄膜,同时,将得到的ZnMnO：N样品分别在700,900和1100°C的温度下进行真空退火处理.X射线衍射（XRD）显示真空退火使薄膜样品的晶格质量变差,但样品都具有良好的单轴取向.ZnMnO：N样品的拉曼光谱（Raman）和光致发光谱（PL）光学表征显示真空退火使得样品中氧空位（VO）增多.对NT,Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算揭示了N,Mn共掺ZnO的态密度存在较强的p-d相互作用,产生磁矩.一旦引入氧空位（VO）后,费米能级上移,p-d相互作用消失,磁矩减小甚至消失.实验表征分析与模拟计算结果一致：对于N,Mn共掺ZnO薄膜样品,引入氧空位（VO）后,铁磁性减弱.因此,Mn3d电子与N2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子（BMP）决定了磁性相互作用的产生.     

N-In共掺p型ZnO薄膜的结构和电学特性研究

采用射频磁控溅射技术在石英衬底上制备ZnO∶In薄膜,以N离子注入的方式进行N掺杂,通过优化退火条件成功实现了ZnO∶In-N薄膜的p型转变。研究发现:在590℃退火20min获得性能良好的p-ZnO∶In-N薄膜,其空穴浓度、迁移率和电阻率分别为(1.01×1018)cm-3、3.40cm2.V-1.s-1、1.81Ω.cm。结合XPS分析认为ZnO∶In-N实现p型导电正是由于In的掺入与受主N形成了有利于p型导电的受主InZn-2NO复合体。Hall跟踪测试发现p型导电会随时间变化而最终转变为n型导电,结合XPS和第一性原理计算认为薄膜中存在残余应力和(N2)O施主缺陷是p型不稳定的原因。     

N-In共掺p型ZnO薄膜的结构和电学特性研究

采用射频磁控溅射技术在石英衬底上制备ZnO∶In薄膜,以N离子注入的方式进行N掺杂,通过优化退火条件成功实现了ZnO∶In-N薄膜的p型转变.研究发现:在590 C退火20 min获得性能良好的p-ZnO∶In-N薄膜,其空穴浓度、迁移率和电阻率分别为(1.01×1018) cm-3、3.40 cm2·V-1·s-1、1.81Ω· cm.结合XPS分析认为ZnO∶In-N实现p型导电正是由于In的掺入与受主N形成了有利于p型导电的受主Inzn-2No复合体.Hall跟踪测试发现p型导电会随时间变化而最终转变为n型导电,结合XPS和第一性原理计算认为薄膜中存在残余应力和(N2)o施主缺陷是p型不稳定的原因.     

N掺杂TiO_2复合膜中N晶格位置转变

采用磁过滤真空直流阴极弧蒸发工艺在石英基底上沉积N掺杂Ti薄膜,随后将其在马弗炉中以不同的退火温度(100~700℃)热处理制备N掺杂TiO_2薄膜,采用X线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)分析表征。结果表明:初始态N掺杂Ti薄膜为包含少量TiN相的Ti薄膜,在300℃退火处理时,N掺杂Ti薄膜直接氧化生成N掺杂金红石相TiO_2薄膜。初始态的N掺杂Ti薄膜表面平整、颗粒细密,与基底附着牢固,经700℃退火处理后,TiO_2颗粒得到了良好的结晶生长,薄膜厚度增加了60%。当热处理温度为600℃时,N掺杂TiO_2复合膜中替代型N开始转变为填隙型N,由于填隙型N具有更高的能级,这种N位置的转变进一步窄化了N掺杂TiO_2的能带宽度,提高了对可见光的利用率。     

溶胶-凝胶法ZnO薄膜的制备及性能表征

采用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备ZnO薄膜, X射线衍射(XRD)结果表明: 晶粒尺寸随退火温度的升高而增大, 与原子力显微镜(AFM)分析薄膜表面形貌的结果相符; UV\|Vis吸收谱线表明, 在ZnO带边吸收的位置出现较强的吸收, 并得到600 ℃退火处理的薄膜禁带宽度为3.23 eV; 室温光致发光谱表明, 所有薄膜均在386.5 nm处出现一个紫外发射峰, 当退火温度升高时, 深能级发射受到抑制.     

P型ZnO薄膜的制备及特性研究

ZnO是一种新型的自激活宽带隙半导体材料,是一种理想的短波长发光器件材料,在光电子、高温大功率器件、高频微波器件以及信息技术领域等方面有着广阔的应用前景,实现和控制高质量P型掺杂是ZnO薄膜光电子应用的关键。本文用射频磁控溅射技术,在直径为100 mm的单晶Si(110)衬底上制备ZnO薄膜,薄膜厚度为1.8μm。用多功能离子注入机对ZnO薄膜进行N离子注入。通过退火实现了ZnO薄膜的P型转变。扫描电镜(SEM)观察表明,离子注入使薄膜表面形貌产生损伤和缺陷,粗糙度明显增加,但退火对表面形貌有很大改善。X射线衍射(XRD)给出样品具有对应于ZnO(002)面的衍射峰,表明薄膜具有较好的c轴择优取向。在不同温度下(500℃,650℃,800℃,900℃,950℃),     

掺氮可见光响应TiO2-xNx光催化薄膜的制备及性能初探

采用反应磁控溅射法在玻璃基片上制备N掺杂TiO2-xNx薄膜和纯TiO2薄膜,并且对两种薄膜样品分别进行了300、400和500℃的退火处理.采用X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见光光度计(UV-Vis)对经过退火处理的样品进行了表征.结果表明:成功制备了N掺杂TiO2-xNx薄膜,部分N进入了TiO2薄膜晶格,并且以N-O键形式存在;N掺杂TiO2-xNx薄膜和纯TiO2薄膜相对比,晶型和表面形貌没有什么太大的区别,但通过紫外-可见光吸收谱图可以发现经过400℃退火处理的N掺杂TiO2-xNx薄膜吸收带边从纯TiO2薄膜的400 nm红移到455 nm.     

沉积电位对ZnO薄膜结构及光电性能的影响

以硝酸锌溶液为电解液,采用电化学沉积方法,在导电玻璃(ITO)上制备ZnO薄膜.使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对制备的ZnO薄膜结构和形貌进行表征,并研究薄膜的光电性能.结果表明,通过该方法制备的ZnO具有标准的六方纤锌矿纳米柱状结构,沉积电位为-0.75、-0.80、-0.85 V时,制备的ZnO纳米柱的直径分别为250、400、500 nm,禁带宽度分别为3.12、3.27、3.29 eV,光电流密度分别为1.18、1.07、0.89μA.cm-2.     

基片温度对ZnO薄膜结构和发光性能的影响

采用对靶直流反应磁控溅射方法,在不同温度的Si (100)基片上制备了一系列的ZnO薄膜.利用X射线衍射仪和荧光分光分度计对ZnO薄膜的结构和发光性能进行了研究.结果表明:所有的ZnO薄膜都具有六角纤锌矿结构,且都表现出了(002)织构.随基片温度增加,ZnO薄膜结晶质量提高,其颗粒尺寸单调增加,并且薄膜应力状态发生改变,由压应力转变为拉应力.同时光致发光谱实验结果表明:室温沉积的ZnO薄膜出现了365 nm和389 nm的紫外双峰,并且出现了弱的蓝光发射带.随着基片温度升高到350℃,365 nm附近的紫外峰红移到373 nm,并且强度增强,而389 nm处的紫外峰强度明显减弱.当基片温度增加到500℃时,373 nm的发光峰强度减弱并蓝移到366 nm处,蓝光带强度减弱并红移到430 nm～475 nm处,并且出现了396 nm的近紫峰.     

络合剂对ZnO薄膜的结构及其光催化性能的影响

采用溶胶-凝胶技术,以醋酸锌为前驱体,分别以乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺为络合剂,在玻璃载玻片上制备了ZnO薄膜。利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱和X射线光电子能谱(XPS)等技术研究了以不同络合剂制备的ZnO薄膜的结构、表面形貌和光吸收性能以及表面化学态。以浸渍在ZnO薄膜表面的亚甲基兰为目标降解物评价薄膜的光催化活性。结果表明,乙醇胺为络合剂制备的ZnO薄膜具有良好的c轴择优取向,主要是由较小的晶粒扩散距离所致;以二乙醇胺为络合剂制备的ZnO薄膜显示较高的光催化活性,可能是由相对较好的光吸收性能以及较多的氧缺陷所致。     

磁控溅射制备ZnO:Ag薄膜及其室温光致发光特性

采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备出含Ag量不同的Ag掺杂ZnO:Ag薄膜,利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪及荧光分光光度汁研究了不同Ag掺杂量对ZnO薄膜结构及荧光发射谱的影响.在室温下测量了样品的光致发光谱,所有样品都出现了446nm左右的蓝色发光峰,在掺杂以后的样品中观察到波长位于368 nm左右的较强紫外发射.结合x射线衍射仪、光电子能谱仪等的测量结果,分析认为,样品紫外光发射的显著增强源于Ag掺杂以后在晶粒间界形成的大量激子,而蓝光的发射来源于Zn空位.     

Structure,optical, and magnetic properties of Mn-doped ZnO films prepared by sputtering

The microstructural, optical, and magnetic properties and room-temperature photoluminescence (PL) of Mn-doped ZnO thin films were studied. The chemical compositions were examined by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and the charge state of Mn ions in the ZnO:Mn films was characterized by X-ray photoelectronic spectrometry (XPS). From the X-ray diffraction (XRD) data of the samples, it can be found that Mn doping does not change the orientation of ZnO thin films. All the films prepared have a wurtzite structure and grow mainly along the c-axis orientation. The grain size and the residual stress were calculated from the XRD results. The optical transmittance of the film decreases with the increase of manganese content in ZnO. The room-temperature photoluminescence of the films shows that the intensity of near band energy (NBE) emission depends strongly on the Mn content. The hysteresis behavior indicates that the films with the Mn content below 9at% are ferromagnetic at room temperature.     

Sb掺杂ZnO薄膜的缺陷和光学性质研究

采用磁控溅射方法在6H-SiC单晶片上制备了锑(Sb)掺杂的氧化锌(ZnO)薄膜.利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对样品的结晶质量和成分进行了测试.结果表明所得到的ZnO∶Sb薄膜结晶质量良好,掺Sb浓度为原子数分数1%,并且掺入的Sb原子处于Zn原子的位置.利用低温及变温光致发光谱(PL)研究了ZnO∶Sb薄膜的光学性质,观察到了与Sb有关的A0X发射,并且计算得到其受主能级为150meV.分析认为掺Sb的ZnO薄膜中受主来源于SbZn-2VZn复合缺陷.     

银掺杂氧化锌薄膜的溶胶-凝胶法制备及表征

采用溶胶-凝胶法,通过改变硝酸银与醋酸锌的物质的量比分别在Si,ITO和玻璃基片上制备出不同Ag掺杂浓度的ZnO薄膜.利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外可见光分光光度计、伏安特性曲线等测试手段,表征了薄膜的结晶状况、表面形貌及光电特性等.结果表明:随Ag元素的引入及掺杂浓度的升高,ZnO薄膜中有Ag单质生成,并在波长404 nm处出现了由Ag单质颗粒引起的共振吸收峰,同时ZnO薄膜的导电性得到了明显改善,在可见光范围内薄膜透光率均在85%以上.Ag掺杂原子数分数为7%时,薄膜导电性最好,其在可见光范围内透光率高达90%.     

Cu衬底上ZnO纳米结构及其光催化性能分析

采用两步电化学沉积法在Cu衬底上沉积得到ZnO纳米结构薄膜。用X-射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对其结构及形貌进行表征,发现先在Cu衬底上沉积一层Zn致密膜,更有利于在其表面上得到附着力强、形貌较好的ZnO纳米结构膜。系统考察了沉积温度和沉积时间等工艺参数对ZnO纳米结构的影响。结果表明,沉积温度和沉积时间对晶体结构和形貌有显著影响,通过对工艺进行适宜控制可以得到结晶性良好的六方纤锌矿型ZnO纳米结构膜。以罗丹明B为目标有机污染物,分析了ZnO膜的光催化性能,表明所制备的ZnO膜可以作为光催化剂,其光催化效率可达到72.4%。