P型氧化锌薄膜的结构及其制备
摘要:氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带(3.37eV)II-VI族化合物半导体材料，具有较大的激子束缚能(60meV)，具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料，在透明导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场发射显示器材料、表面声波元件以及低压压敏电阻器等方面具有广泛的用途。ZnO薄膜的制备方法多样，各具优缺点。本文综述了ZnO薄膜的制备及性质特征，并对其发展趋势及前景进行了探讨。
关键词：ZnO薄膜；制备；发展前景
1 ZnO结构
ZnO有三种晶体结构，分别是立方NaCl，闪锌矿和六角纤锌矿构，如图1所示，在常温常压下，ZnO的热稳定相为六方纤锌矿结构[5]，具有六方对称性。纤锌矿ZnO的晶格常数是a=3.2498 Å，C=5.2066 Å。在C轴方向上，Zn原子与02原子的间距为0.196nm，在其他三个方向上为0.198nm。ZnO的结构可简单地描述为由Zn原子面和O原子面沿C轴交替排列而成，其中Zn和O原子为相互四面体配位，从而Zn和0在位置上是等价的。这种排列导致ZnO具有一个Zn极化面和一个O极化面，这种C面的极化分布使得两个面具有不同的性质，导致该结构缺乏对称中心。另外，ZnO的纤锌矿结构相当于0原子构成简单六方密堆积，Zn原子填塞于半数的四面体隙中。
图1 ZnO的晶体结构：（a）立方NaCl结构
（b）闪锌矿结构 （c）六角纤锌矿结构
2 .p型ZnO薄膜的制备方法
2.1分子束外延技术（MBE） 分子束外延(MBE)是一种真空蒸发技术,把原材料通过加热转化为气态,然后在真空中膨胀,再在衬底上凝结,进行外延生长。典型的MBE设备由束源炉、样品台和加热器、控制系统、超高真空系统(包括真空生长室和机械泵、分子泵、离子泵、升华泵等, 真空度可达到1×10- 8 Pa以上)和检测分析系统(高能电子衍射仪、离子溅射枪、俄歇分析仪和四极质谱仪等)组成。
溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜
一、本文概述
本文旨在探讨溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜的工艺及其相关特性。ZnO薄膜作为一种重要的半导体材料，在光电子器件、太阳能电池、气体传感器等领域具有广泛的应用前景。溶胶-凝胶法作为一种制备薄膜材料的常用技术，具有工艺简单、成本低廉、易于控制等优点，因此受到广大研究者的关注。
本文将首先介绍溶胶-凝胶法的基本原理和步骤，然后详细阐述制备ZnO薄膜的具体过程，包括前驱体溶液的配制、溶胶的制备、凝胶的形成以及薄膜的成膜过程。接着，我们将讨论制备过程中可能影响薄膜性能的因素，如溶胶浓度、凝胶温度、退火条件等，并通过实验验证这些因素的影响。
我们将对制备得到的ZnO薄膜进行表征和分析，包括其结构、形貌、光学性能和电学性能等方面。通过对比不同制备条件下的薄膜性能，优化制备工艺参数，为实际应用提供指导。本文的研究结果有望为ZnO薄膜的制备和应用提供有益的参考。
二、溶胶—凝胶法原理
溶胶-凝胶法（Sol-Gel）是一种湿化学方法，用于制备无机材料，特别是氧化物薄膜。该方法基于溶液中的化学反应，通过控制溶液中的化学反应条件，使溶液中的物质发生水解和缩聚反应，从而生成稳定的溶胶。随着反应的进行，溶胶中的颗粒逐渐增大并相互连接，形成三维网络结构，最终转化为凝胶。
在制备ZnO薄膜的溶胶-凝胶法中，通常使用的起始原料是锌的盐类（如硝酸锌、醋酸锌等）和溶剂（如乙醇、水等）。锌盐在溶剂中溶解形成溶液，然后通过加入水或其他催化剂引发水解反应。水解产生的锌离子与溶剂中的羟基（OH-）结合，形成氢氧化锌（Zn(OH)2）的胶体颗粒。这些胶体颗粒在溶液中均匀分散，形成溶胶。
随着反应的进行，溶胶中的氢氧化锌颗粒逐渐长大，并通过缩聚反应相互连接，形成三维的凝胶网络。凝胶网络中的空隙被溶剂填充，形成湿凝胶。湿凝胶经过陈化、干燥和热处理等步骤，去除溶剂和有机残留物，同时促进ZnO晶体的生长和结晶，最终得到ZnO薄膜。
助 能 材 料 ２０１３年第７期（４４）卷
ＺｎＯ：Ｎｂ透明导电薄膜的制备及光电特性研究
周爱萍，刘汉法，臧永丽 （山东理工大学理学院，山东淄博２５５０４９）
摘 要： 采用直流磁控溅射法在玻璃衬底上沉积铌 掺杂氧化锌（ＮＺＯ）透明导电薄膜。通过ｘ射线衍射 （ＸＲＤ）、扫描电镜（ＳＥＭ）以及透射光谱等测试研究了 溅射功率对薄膜结构、形貌以及光电性能的影响。实 验结果表明ＮＺＯ薄膜是多晶膜，具有ＺｎＯ的六角纤 锌矿结构，最佳取向为（００２）方向。溅射功率从４０ｗ 增加到８０Ｗ时，薄膜的电阻率迅速下降；功率超过 ８Ｏｗ时，电阻率趋于平稳。在溅射功率为１００Ｗ时， 电阻率具有最小值５．８９×１０ Ｑ・ｅｍ，光学带隙具有 最大值３．３９５ｅＶ。实验制备的ＮＺＯ薄膜附着性能良 好，在可见光范围内的平均透过率均超过８６．６ 。 关键词： ＺｎＯ：Ｎｂ薄膜；溅射功率；透明导电薄膜； 磁控溅射 中图分类号：０４８４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－９７３１（２０１３）０７－１０１２－０３ １ 引 言 透明导电氧化物（ＴＣＯ）薄膜因其优良的光电性 能而被广泛应用在各种光电器件中，如平面液晶显示 器和太阳能电池等口 ］。如今最重要的透明导电氧化 物材料是Ｓｎ掺杂Ｉｎ ０。（ＩＴＯ），并且高质量的ＩＴＯ薄 膜通过溅射超高致密的陶瓷靶材已经获得产业化。随 着ＩＴＯ薄膜用量的不断增加，Ｉｎ资源不断减少，ＩＴＯ 薄膜的成本就会不断上升，而ＺｎＯ基透明导电膜则可 能成为ＩＴＯ薄膜的替代产品［３］。ＺｎＯ是Ⅱ一Ⅳ族直接 带隙半导体材料，室温下的禁带宽度约为３．３７ｅＶ。作 为一种本征的ｎ型半导体材料，ＺｎＯ通过施主掺杂， 如Ａ１、Ｇａ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔｉ和Ｙ等［ ，便可以获得较高的电 子浓度，而在可见光区域仍能保持较高的透射率。 近来，Ｉ ｉｎ和Ｓｈａｏ等利用激光脉冲沉积（ＰＬＤ）方 法成功制备了铌掺杂氧化锌（ＮＺＯ）薄膜，并讨论了温 度以及掺杂比对薄膜性能的影响［１ ¨］。而在ＺｎＯ基 薄膜的众多制备方法中，溅射法因薄膜结构致密、均 匀且适于大面积制备等优点，而被广泛应用口 。尝 试利用直流磁控溅射工艺在未加热的玻璃衬底上制备 ＺｎＯ：Ｎｂ薄膜，并研究溅射功率对薄膜结构和光电 性能的影响。 ２ 实 验 ＺｎＯ：Ｎｂ薄膜采用ＪＧＰ５００Ｃ２型高真空磁控溅 射仪制备。溅射所用陶瓷靶直径为７５ｍｍ，将纯度 为９９．９９ 的ＺｎＯ粉末和Ｎｂ Ｏ 粉末充分混合后压 制而成的，其质量分数分别为９８ 和２ 。在薄膜制 备过程中，靶与衬底之间的距离为６０ｍｍ，溅射时间为 ３０ｍｉｎ，溅射压强为８Ｐａ。为了讨论溅射功率对薄膜光 电性能的影响，分别在４Ｏ、６Ｏ、８０、１００和１２０Ｗ的溅射 功率下制备了ＺｎＯ：Ｎｂ薄膜。在溅射之前，玻璃衬 底依次用无水乙醇擦拭、丙酮溶液超声清洗１０ｍｉｎ、无 水乙醇浸泡３０ｍｉｎ，超纯水中反复冲洗，干燥后放入溅 射室。 实验中，用ＳＧＣ一１０型薄膜测厚仪测量薄膜厚度 ｚ，用ＳＤＹ一４型四探针测试仪测量样品的方块电阻Ｒ， 根据Ｐ＝Ｒｌ计算得到薄膜的电阻率。用德国Ｂｒｕｋｅｒ 公司生产的Ｄ８ Ａｄｖａｎｃｅ型ｘ射线衍射仪（ＣｕＫａ 靶， 射线源为０．１５４０６ｎｍ）对薄膜的结构和生长取向特性 进行测量。样品的表面形貌用ＦＥＩ Ｓｉｒｉｏｎ２００型热场 发射扫描电子显微镜观察。采用Ｔｕ一１９０１型双光束 紫外一可见分光光度计测量薄膜样品的光学透过率。 ３结果与讨论 图１为在不同溅射功率下制备的ＺｎＯ：Ｎｂ薄膜 ｘ射线衍射图谱。
ZnO薄膜的结构性质及其制备
邵丽琴
摘要:氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带(3.37eV)II-VI族化合物半导体材料，具有较大的激子束缚能(60meV)，具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料，在透明导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场发射显示器材料、表面声波元件以及低压压敏电阻器等方面具有广泛的用途。ZnO薄膜的制备方法多样，各具优缺点。本文综述了ZnO薄膜的制备及性质特征，并对其发展趋势及前景进行了探讨。
关键词：ZnO薄膜；制备；性质；发展前景
一、引言
近年来，新一代的宽带隙半导体材料ZnO吸引了人们的目光。ZnO是II—VI族直接带隙半导体，室温禁带宽度为3.37 eV[1]。特别是由于ZnO具有较高的激子结合能(约60 meV[2])，它比室温热离化能(26meV)大得多，理论上和实验都证实了ZnO在室温甚至更高温度下实现紫外发光和受激辐射[3,4]，因此ZnO被认为是制备短波长发光和激光二极管、探测器等光电子器件的理想候选半导体材料。ZnO作为一种新型的光电材料，在光波导、半导体紫外激光器、发光器件，压电传感器及透明电极等方面应用广泛。本文综述了ZnO薄膜各种不同的制备方法及发光的研究现状并指明了今后的研究方向。
二、ZnO的结构和性质
1.1 结构
ZnO有三种晶体结构，分别是立方NaCl，闪锌矿和六角纤锌矿构，如图1所示，在常温常压下，ZnO的热稳定相为六方纤锌矿结构[5]，具有六方对称性。纤锌矿ZnO的晶格常数是a=3.2498 Å，C=5.2066 Å。在C轴方向上，Zn原子与02原子的间距为0.196nm，在其他三个方向上为0.198nm。ZnO的结构可简单地描述为由Zn原子面和O原子面沿C轴交替排列而成，其中Zn和O原子为相互四面体配位，从而Zn和0在位置上是等价的。这种排列导致ZnO具有一个Zn极化面和一个O极化面，这种C面的极化分布使得两个面具有不同的性质，导致该结构缺乏对称中心。另外，ZnO的纤锌矿结构相当于0原子构成简单六方密堆积，Zn原子填塞于半数的四面体隙中。
