电化学沉积法制备氧化锌.pptx

电沉积法制备氧化锌;摘要 以铜片为衬底, 用硝酸锌水溶液为电解液, 采用阴极恒电流还原制备氧化锌薄膜。通过改变电流密度、电解液浓度、温度、离子掺杂等实验条件, 系统研究了锌氧化物薄膜材料的电化学沉积过程。用X 射线衍射、紫外- 可见透射谱、热重- 差热等技术对沉积物的结构、组成及光学性质进行了表征, 结果表明, 电沉积工艺条件显著影响薄膜材料的结构与组成。当电沉积产物中掺杂铜时, 薄膜材料的光吸收边从375nm 红移到458nm, 带隙能从3. 3eV 降到 2. 7eV, 拓宽了薄膜的吸光范围, 这对ZnO 薄膜在光学方面的应用具有重要意义。 关键词 氧化锌薄膜 电沉积 掺杂 带隙能;1 引 言;近年来, 随着材料生长工艺的改进, 许多先进的生长技术被用于ZnO 薄膜的制备, 如直流反应溅射法、脉冲激光沉积( PLD) 法、分子束外延( MBE) 法、金属有机化学气相沉积( MOCVD) 法等。对于ZnO基紫外激光的研究, 主要是基于上述技术制备的ZnO 单晶膜、六角柱形蜂巢状纳米微晶结构ZnO 薄膜以及颗粒微晶结构ZnO 粉末或膜。但是这些ZnO薄膜在制备方法上难度较大, 条件苛刻, 如一般需要高温、一定的气体氛围或是高真空度, 并且代价昂贵、耗时。由此可见, 发展简单可控、低成本的ZnO薄膜制备方法具有十分重要的意义。值得一提的是电化学沉积法, 它以Zn(NO3) 2 的含氧水溶液作为电沉积液, 通过一个简单的阴极还原反应来制备ZnO薄膜[ 2, 3] 。其制备氧化锌的电化学反应( 在ITO 导电玻璃上) 机制如下;O2 + 2H2O+ 4e →4OH- NO-3 + H2O+ 2e → NO-2 + 2OH- ITO + OH- ITO → - OH-ad Zn2++ 2OH-ad → Zn( OH) 2( s) Zn( OH) 2( s) → ZnO+ H2O 由于其简单、低成本、膜厚和形貌可控( 通过调节电化学参数) , 适合于复杂基底制膜, 相对高的沉积速率, 小于100 e 的制备温度, 因此一经提出便受到广泛的重视。本文采用电化学沉积法成功制备了高光学质量的ZnO 薄膜。;2 实 验;3) 采用阴极恒电压模式电沉积ZnO 薄膜, 电压控制在- 019 V, 沉积溶液为011 mol/ L Zn(NO3) 2 水溶液( O2 浓度为反应温度时的饱和浓度) , 恒温水浴控制反应温度为65 e , 沉积时间为10 min。 4) 电沉积后用去离子水漂洗制备的ZnO 薄膜,然后自然晾干。 ;2. 2 样品测试;3 结果和讨论; 透明性好。未经过这种预活化处理而直接用步骤3制备的ZnO 薄膜则表面粗糙, 呈乳白色不透明。图 1 给出了经预活化处理后制备的ZnO 薄膜的透射光谱( 以ITO 导电玻璃作为参比) , 在400~ 2000 nm 的波长范围内表现出大于80% 的透过率。透射边在370 nm 左右, 对应ZnO 的光学带隙为3135 eV。由于平整的薄膜上下表面对光的干涉作用, 导致了透射谱上出现周期性的起伏, 根据这个特征可以计算薄膜的厚度[ 5] 。由图1 估算制备的ZnO 薄膜的厚度为234 nm 左右。图2 表示经预活化处理后制备的ZnO 薄膜的XRD 谱。; 图中, 星号代表衬底ITO 的衍射峰, 其余的4 个峰都是ZnO 的衍射峰, 依次分别对应纤锌矿结构的( 100) , ( 002) , ( 101) 和( 102) 晶面, 从衍射强度上看没有出现任何方向上的取向生长。可见, 电化学沉积制备ZnO 薄膜可以直接得到ZnO 晶体, 无需后续的高温热退火处理, 是直接电结晶过程。; 图3 表示经预活化处理后制备的ZnO 薄膜的 AFM 图像( 扫描范围2 Lm @ 2 Lm) 。可以看到ZnO薄膜为无序的多晶颗粒膜, 晶粒呈不规则多面体形,表现为面内随机取向, 其尺寸小于250 nm, 这与对ZnO 薄膜厚度的估算基本一致。;H. Cao 等首次在半导体ZnO 粉末( 采用溶胶-凝胶法并结合电泳进行沉积) [ 6] 和多晶薄膜( 采用激光消熔法制备) [ 7] 中观察到了紫外受激发射( 阈值分别为700 kW/ cm2 和380 kW/ cm2) , 并且用随机激光理论进行了解释。在一个无序的多晶薄膜体系中,当散射的平均自由程小于等于光的波长时, 由于颗粒间的强散射作用, 被散射的光子可以回到第一个散射微晶颗粒上, 随机形成一个闭合的散射回路, 即环形谐振腔, 从而提供了激光形成所需的相干反馈。当抽运能量增加, 闭合散射回路中的光子增加超过光损失时, 就形成了一定频率的激光振荡。对于用电化学沉积法制备的ZnO 多晶颗粒薄膜, 当