zno薄膜的制備與性能研究

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1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1．緒言隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技發(fā)展越來(lái)越迅速，人們的生活水平也越來(lái)越高，而這一切都離不開(kāi)能源的支持，可以說(shuō)能源是整個(gè)社會(huì)進(jìn)步發(fā)展的源動(dòng)力。人類社會(huì)已經(jīng)經(jīng)歷了薪柴時(shí)期、煤炭時(shí)期以及石油時(shí)期，人們的生產(chǎn)生活水平也隨著上了一個(gè)又一個(gè)臺(tái)階。世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律表明，在正常發(fā)展情況下，一個(gè)國(guó)家的國(guó)民生產(chǎn)總值與能源消耗總量是存在著一定的正比關(guān)系。在目前情況看來(lái)，常規(guī)能源的總量是有限的，但人們對(duì)國(guó)民生產(chǎn)總值的追求是無(wú)限的，為了用有限的能源來(lái)追求更高的國(guó)民生產(chǎn)總值，一方面要盡量提高現(xiàn)有能源的利用效率，另一方面也要加快對(duì)清潔的可再生的新能源的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)在太陽(yáng)能、風(fēng)能

2、、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等都引起人們很大的研究興趣，其中太陽(yáng)能電池作為直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的器件，由于能源來(lái)源分布范圍廣、成本低、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)成為世界的研究熱點(diǎn)。由于社會(huì)進(jìn)步的速度過(guò)快，對(duì)能源消耗過(guò)大，加上對(duì)環(huán)境問(wèn)題的忽視，導(dǎo)致全球環(huán)境惡化，各種各樣的環(huán)境問(wèn)題層出不窮，如空氣污染加重、溫室氣體導(dǎo)致的全球氣候變暖，大面積出現(xiàn)酸雨、土地退化加劇、森林面積銳減、水資源緊缺、臭氧層空洞加大以及生物多樣化受到威脅等。經(jīng)濟(jì)發(fā)展到今天，人們更加注重對(duì)生活品質(zhì)的追求，對(duì)可持續(xù)發(fā)展的呼聲越來(lái)越高，現(xiàn)在可持續(xù)發(fā)展已成為我國(guó)科學(xué)發(fā)展觀的基本要求。因此，在追求社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也要重視對(duì)

3、環(huán)境的保護(hù)，合理處理現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題并對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)防可能會(huì)出現(xiàn)的環(huán)境問(wèn)題，保證能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三者協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展。氧化鋅（ZnO）原材料豐富，存儲(chǔ)量大，無(wú)毒，價(jià)格低廉，制備工藝多樣，應(yīng)用廣泛。在能源問(wèn)題上，一方面，高質(zhì)量的ZnO薄膜可以作為透明導(dǎo)電氧化物薄膜應(yīng)用在柔性薄膜太陽(yáng)電池上，因?yàn)閆nO薄膜不僅具有很高的光透過(guò)性還可以在制備過(guò)程中通過(guò)其他元素的摻雜來(lái)提高薄膜的電導(dǎo)率。另一方面，ZnO薄膜由于具有很好的氣敏性，可以用來(lái)做成氣體傳感器件，檢測(cè)環(huán)境中某種氣體或多種氣體的含量變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，對(duì)ZnO薄膜的制備與性能的研究非常有意義，也非常必

4、要。1萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1.1ZnO的晶體結(jié)構(gòu)氧化鋅是一種直接帯隙的寬禁帶化合物半導(dǎo)體，是繼以Si、Ge為代表的第一代半導(dǎo)體，和第二代半導(dǎo)體GaAs、GaP、InP、InAs、AlAs等之后出現(xiàn)的第三代半導(dǎo)體的典型代表。第三代半導(dǎo)體材料有明顯更適用于現(xiàn)代大規(guī)模集成電路和微電子器件的特點(diǎn)，如更高的電子飽和漂移速度、更高的熱導(dǎo)率、更大的臨界擊穿電壓以及更小的介電常數(shù)等，能滿足對(duì)高溫、高頻、大功率以及抗輻射等多方面的要求，在電子、通信、[1-4]光電器件、航空航天和國(guó)防等很多行業(yè)都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。上世紀(jì)90年代以前，ZnO已經(jīng)在陰極射線熒光粉方面有了應(yīng)用

5、，也有人發(fā)現(xiàn)在低溫條件下利用電子束泵浦可以使ZnO材料獲得紫外受激發(fā)射，由于薄膜制備技術(shù)以及摻雜技術(shù)的限制，[5-7]制備出的薄膜缺陷很多，發(fā)光效率很低。到了1997年，日本科學(xué)家與香港科學(xué)家在合作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，利用分子束外延生長(zhǎng)工藝制備出蜂窩狀結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜，能在室[8-9]溫下觀察到近紫外受激發(fā)光，ZnO成為光電材料的新的研究熱點(diǎn)。隨后，ZnO的[10-12]光電性、壓電性、壓敏性以及氣敏性等一系列特性都引起了人們很大的研究興趣。ZnO是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，由于氧空位和鋅間隙的影響，本征ZnO為N型半導(dǎo)體。ZnO的晶體結(jié)構(gòu)有三種：六方對(duì)稱的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)（Wurz

6、ite）、四方對(duì)稱的立方閃鋅礦（Zinc-blende）和立方體結(jié)構(gòu)的四方巖鹽結(jié)構(gòu)，晶胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1。(a)六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)(b)立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)(c)立方巖鹽結(jié)構(gòu)圖1.1ZnO的三種晶體結(jié)構(gòu)示意圖其中，立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO的晶格能量比較高，是一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，一般要在[13]立方結(jié)構(gòu)的襯底上才能制備；立方巖鹽結(jié)構(gòu)即NaCl結(jié)構(gòu)的ZnO一般是在高壓條件2萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文下獲得的，最鄰近原子數(shù)由六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的4個(gè)增加到立方巖鹽結(jié)構(gòu)的6個(gè)，相應(yīng)[14]地晶胞體積減少了約17%；六角纖鋅礦的ZnO是三種結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定也是最常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)。六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Z

7、nO是六方晶系，它是由鋅原子和氧原子分別組成六方排列，然后在（0001）方向上，Zn原子和O原子規(guī)則的按照ABABAB??順序堆積起來(lái)的，這樣一來(lái)，在立體結(jié)構(gòu)上看每個(gè)Zn原子與鄰近的三個(gè)Zn原子形成一個(gè)四面體，[15]中間包圍著一個(gè)O原子，而每個(gè)Zn原子也處在四個(gè)O原子形成的四面體的中間。在Zn-O四面體結(jié)構(gòu)中，沿（0001）方向的Zn原子與O原子的間距約0.196nm，而其他方向上的Zn原子與O原子的距離均約0.198nm，這導(dǎo)致Zn原子在C軸方向上的分布不對(duì)稱，當(dāng)其分布偏向于從O晶面指向Zn晶面時(shí)為Zn極化面，當(dāng)其分布偏向于從Zn晶面