zno薄膜的制備與性能研究

《zno薄膜的制備與性能研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1．緒言隨著社會的進(jìn)步，科技發(fā)展越來越迅速，人們的生活水平也越來越高，而這一切都離不開能源的支持，可以說能源是整個(gè)社會進(jìn)步發(fā)展的源動力。人類社會已經(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)臺階。世界各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律表明，在正常發(fā)展情況下，一個(gè)國家的國民生產(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，常規(guī)能源的總量是有限的，但人們對國民生產(chǎn)總值的追求是無限的，為了用有限的能源來追求更高的國民生產(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清潔的可再生的新能源的開發(fā)?，F(xiàn)在太陽能、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，其中太陽能電池作為直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的器件，由于能源來源分布范圍廣、成本低、無毒等優(yōu)點(diǎn)成為世界的研究熱點(diǎn)。由于社會進(jìn)步的速度過快，對能源消耗過大，加上對環(huán)境問題的忽視，導(dǎo)致全球環(huán)境惡化，各種各樣的環(huán)境問題層出不窮，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，人們更加注重對生活品質(zhì)的追求，對可持續(xù)發(fā)展的呼聲越來越高，現(xiàn)在可持續(xù)發(fā)展已成為我國科學(xué)發(fā)展觀的基本要求。因此，在追求社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也要重視對

3、環(huán)境的保護(hù)，合理處理現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生的環(huán)境問題并對環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)防可能會出現(xiàn)的環(huán)境問題，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，存儲量大，無毒，價(jià)格低廉，制備工藝多樣，應(yīng)用廣泛。在能源問題上，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)用在柔性薄膜太陽電池上，因?yàn)閆nO薄膜不僅具有很高的光透過性還可以在制備過程中通過其他元素的摻雜來提高薄膜的電導(dǎo)率。另一方面，ZnO薄膜由于具有很好的氣敏性，可以用來做成氣體傳感器件，檢測環(huán)境中某種氣體或多種氣體的含量變化，實(shí)現(xiàn)對大氣的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，對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)家在合作過程中發(fā)現(xiàn)，利用分子束外延生長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：六方對稱的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)（Wurz

6、ite）、四方對稱的立方閃鋅礦（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??順序堆積起來的，這樣一來，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