靜電增強超聲霧化熱解法制備zno薄膜的性能研究

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1、上海大學(xué)博士學(xué)位論文摘要使用靜電增強超聲霧化熱解法制備了ZnO薄膜，用XRD、SEM、PL、RAMAN等手段研究了制備條件對ZnO薄膜形貌、內(nèi)部缺陷的類型、發(fā)光性能、氣敏性能的影響；研究了摻雜對ZnO薄膜光學(xué)性能、電學(xué)性能、氣敏性能的影響；并以制備的ZnO薄膜為緩沖層，在Si襯底上生長ZnO納米陣列和ZnO納米結(jié)構(gòu)，研究了ZnO納米陣列在氣體電離傳感器上的應(yīng)用。其主要研究結(jié)論如下：(1)采用靜電增強超聲霧化熱解方法制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜，并對不同工藝條件下薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、形貌、沉積速率、光致發(fā)光進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前驅(qū)體的濃度在O．01～0．005M之間時，襯

2、底溫度在400-500。C，當(dāng)載氣量為200--500sccm制備的薄膜的取向性較好，且薄膜平整致密。使用較高濃度前驅(qū)體制備的ZnO中，存在明顯的藍(lán)光發(fā)射峰和綠光發(fā)射峰；藍(lán)光發(fā)射峰與鋅間隙能級有關(guān)；綠光發(fā)射峰由V血的不同電離態(tài)引起；在600。C下氧氣氛退火60min后藍(lán)光發(fā)光峰和綠光發(fā)光峰消失了。(2)評價了不同襯底溫度、不同載氣條件下制備的ZnO薄膜的電學(xué)性能，在襯底溫度為440℃制備出了霍爾遷移率為141cm2／Vs，電阻率為9．99f2cm‘1的p．型ZnO薄膜；使用XPS和低溫PL分析了在440。C,I]備的P．型ZnO的成分及受主缺陷的類型，該薄膜中受主

3、能級位于價帶上160meV和250meV處，并推測其與No和V歷有關(guān)。研究了晶界對薄膜電學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)載氣的類型影響薄膜的導(dǎo)電性能。使用SCM對氧氣做載氣制備的ZnO薄膜的載流子分布進(jìn)行了表征。晶界上吸附的氧使得晶粒中的電子耗盡，造成晶粒中空穴的散射作用減弱和晶界附近空穴積累，是引起超高空穴遷移率的原因。(3)制備了Ag摻雜和N摻雜P．型ZnO薄膜，研究了它們的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能、電學(xué)性能，摸索了最佳的摻雜量。研究了雙受主共摻雜理論，揭示了Ag．N共摻雜在理論是可行的。使用共摻雜技術(shù)制備ZnO：(Ag，N)薄膜，并研究了該薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)電學(xué)性能。XDR表明共摻雜

4、提高了晶體的質(zhì)量，霍爾測量表明共摻雜制備的ZnO有較低的電阻和較高的霍爾遷移率；實驗表明雙受主共摻上海大學(xué)博士學(xué)位論文雜增強了N和Ag原子的穩(wěn)定性，提高了摻雜濃度；我們還發(fā)現(xiàn)ZnO(Ag，N)與ZnO：Ag相比，薄膜的光學(xué)透過率明顯提高，Ag．N共摻雜的ZnO電學(xué)和光學(xué)性能的穩(wěn)定性較好。(4)使用化學(xué)氣相傳輸法在蒸金的硅片生長了ZnO納米線；通過分析生長不同階段的SEM，明確了ZnO納米線的生長遵循VLS機理。使用靜電增強超聲霧化法在Si上制備了ZnO緩沖層，并在該緩沖層上生長了ZnO納米陣列。在Si上使用不同催化劑成功生長了ZnO納米結(jié)構(gòu)，實驗發(fā)現(xiàn)Cu作催化劑在

5、Si襯底上得到楔狀ZnO納米片，該結(jié)構(gòu)的ZnO納米片沿【0110]方向生長，納米片上下表面為+(0001)極性面；納米片的生長遵循VLS機理，屬于六角纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，納米片的位錯和堆垛層錯等晶格畸變較少；使用Zn催化在Si襯底上得到長達(dá)幾百微米的ZnO納米帶。ZnO納米帶沿[0110]方向生長，屬于六角纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)；納米帶的生長遵循VLS機理。比較了不同使用不同催化劑制備ZnO的PL。實驗表明，在緩沖層上Au催化制備的ZnO納米陣列具有較強的發(fā)光強度，Cu催化制備的ZnO楔狀納米片次之，Zn催化制備的ZnO納米帶最弱；這是由于使用不同的催化劑制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)

6、中的缺陷數(shù)量和缺陷類型不同造成的。(5)研究了場致電離氣敏傳感器的工作原理。發(fā)現(xiàn)在電場限制區(qū)中，氣體場致電離產(chǎn)生的電流強度與氣體的特性密切相關(guān)，可以作為鑒別不同氣體的特征。使用有限元軟件模擬了納米線頂端的場強分布，模擬的結(jié)果表明納米ZnO的頂端電場增強因子的最大值約為187。使用不同取向的ZnO納米棒制作了場致電離氣體傳感器，研究了不同形貌納米線制備器件對丙酮的響應(yīng)曲線，測試表明器件的響應(yīng)曲線分為三個區(qū)，響應(yīng)曲線與電場增強因子D密切相關(guān)。研究了器件對甲苯和丙酮的電離特性曲線。從氣體放電電流和擊穿電壓來看，器件可以明顯的區(qū)分甲苯和丙酮。測量了器件對NOx化合物的響應(yīng)

7、，實驗表明在較低的濃度下，NOx化合物的濃度電流響應(yīng)值呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系，器件的響應(yīng)速度為17～40s，器件的靈敏度為0．0454-0．007ppm／pA。測量了器件對苯、異丙醇、乙醇、甲醇化合物的響應(yīng)，實驗表明器件對靜態(tài)極化率較大，電離能低的氣體有一定的選擇性。(6)測試了不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜對N02氣體的氣敏性能；實Ⅱ上海大學(xué)博上學(xué)位論文驗表明550℃制備的粉末狀的ZnO薄膜對N02的敏感度較高，并表現(xiàn)出較好的響應(yīng)．恢復(fù)特性；研究了致密的ZnO薄膜厚度對氣敏性能的影響，實驗表明薄膜對N02的敏感度隨膜厚增加而減少；對于550℃制備的粉末狀的ZnO薄膜

8、而言，對N