ZnO薄膜的制备.doc

氧化锌薄膜的制备及应用 0 前言 ZnO作为一种宽带隙半导体材料,近几年来已经成为国际上紫外半导体光电子材料和器件领域的研究热点。ZnO薄膜是一种具有广泛应用前景的材料，国际上也涌现出许多以ZnO为研究重点的科研小组，开展了许多相关的科研工作。氧化锌薄膜作为一种优异的光电和压电相结合的电子信息材料，它在压电转换，光电显示以及集成电子器件等方面有广泛的应用。拥有优良的压电特性，一直在SAW器件中的到应用。此外还可用作紫外光探测器，发光器件，传感器件，太阳能电池的透明电极等。1 ZnO 的晶体结构 ZnO 为II － VI ( hexagonal wurtize )［1］ ( zinc blende)［2］p63mc 空间群。室温和常压下，ZnO 的热稳定相为六角纤锌矿结构。当压强达9GPa 左右时，纤锌矿结构的ZnO 转化为四方岩盐结构( rocksalt) ，原子配位数由4 增加到6，体积相应缩小17%。而立方闪锌矿结构的ZnO 只有在立方结构的衬底上生长才可能得到。如图1 所示: 图1 ZnO 的晶体结构 在理想六角纤锌矿结构ZnO 的元胞中晶格常数a 和c 满足c /a = 1. 633。由于掺杂以及生长条件的不同，实际测得的c 和a 的数值以及c /a 的值和理论值有一定的出入。在ZnO 晶体结构中，ZnO 各自组成六方密集堆积结构的子格子，两种子格子延C轴平移0. 385nm 形成复格子结构。每个Zn 原子与最近邻的四个O 原子构成一个四面体结构; 同样，每个O 原子和最近邻的四个Zn 原子也构成一个四面体结构。四面体并非严格对称，在C 轴方向上，Zn 原子与O 原子之间的距离为0. 196nm。Zn － O SP3 杂化，由于Zn 和O 的电负性差别较大，Zn － O 2 ZnO薄膜的性质 2.1 光电特性 ZnO薄膜是直接带隙半导体，具有很好的光电性质，对紫外光有较为强烈的吸收，在可见光区，光透过率接近90%。ZnO薄膜的光电特性与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶密度相关，在适当的制备条件及掺杂条件下，ZnO薄膜表现出很好的低阻特征，使其成为一种重要的电极材料，如太阳能电池的电极、液晶元件电极等。用氢等离子处理的ZnO:Ga薄膜也可用于太阳能电池，η=13%。高的光透过率和大的禁带宽度使其可作太阳能电池窗口材料、低损耗光波导器件及紫外光探测器等。而它的发光性质及电子辐射稳定性则使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料，并在紫外光二极管激光器等发光器件领域有潜在的应用前景。尤其是ZnO光泵浦紫外激光的获得和自形成谐振腔的发现更加激起了人们对其研究的热情。同时由于ZnO对光波具有的选择性(可见光区的高透射性和红外光区的高反射性)，可作为一种热镜材料来制成低辐射幕墙玻璃。 ZnO在室温时典型的PL谱中在3.30eV(375nm)附近含有本征UV峰，在2.29eV(540nm)附近往往都会出现一个对应于绿光波段的展宽峰，并向两边延伸至黄光和蓝光波段。[2]关于ZnO薄膜的紫外发光机制的看法较一致：源自带间跃迁和激子复合。目前，对于蓝绿发光特性，研究认为，ZnO的本征点缺陷与薄膜蓝绿发光机制有着紧密的联系。对于具体的影响机制，人们普遍认为绿光与氧空位有关。ZnO薄膜的蓝绿发光特性，可以应用于平板显示领域和制备短波长发光二极管。 .2 气敏特性 ZnO是一种典型的表面控制型半导体气敏材料，ZnO薄膜光电导随表面吸附的气体种类和浓度不同会发生很大变化。依据这个特点，ZnO薄膜可用来制作表面型气敏器件，通过掺入不同元素，可检测不同的气体，如未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有敏感性，掺Pd、Pt的ZnO对可燃性气体具有敏感性，掺Bi2O3、Gr2O3、Y2O3等的ZnO薄膜对H2具有敏感性，而掺La2O3、Pd或V2O5的ZnO对酒精、丙酮等气体表现出良好的敏感性。ZnO薄膜经某些元素掺杂后对有害性气体、可燃性气体、有机蒸汽具有良好的敏感性。利用这些性质，可以制成各种气敏传感器应用于健康检测、监测人体内的酒精浓度、监测大气中的有害气体含量等。 .3 压电特性 ZnO薄膜具有优良的压电性能，如高机电耦合系数和低介电常数，是一种用于体声波（BAW）尤其是表面声波（SAW）的理想材料。SAW要求ZnO薄膜具有c轴择优取向，电阻率高，从而有高的声电转换效率；且要求晶粒细小，表面平整，晶体缺陷少，以减少对SAW的散射，降低损耗。ZnO在低频方面，主要用于传感器，但存在直流电致损耗；而在高频方面，具有良好的高频特性，随着数字传输和移动通信信息传输量的增大，SAW要求超过1GHz的高频，因此ZnO压电薄膜在高频滤波器、谐振器、光波导等领域有着广阔的发展前景。这些器件在大存量、高速率光纤通信的波分复用、光纤相位调制、反雷达动态测频、