ZnO薄膜在硫蒸气中热硫化后的结构和光学性能本科毕业设计.ppt

* * ZnO纤锌矿的晶格常数是a=3.249A，c=b= 5.2066A。ZnO 的纤锌矿结构相当于O原子构成简单六方密堆积，Zn原子则填塞于半数的四而体隙中，而半数四而体隙是空的。这种纤锌矿结构相对开放，外来掺杂物容易进入ZnO的晶格。 这种开放结构也影响到缺陷的性质和扩散机制。最普通的缺陷是填隙Zn原子和O空位。 * 4 分析与结果-不同硫化时间-SEM 硫化前的ZnO薄膜均匀、致密，晶粒细小。 硫化11h后，薄膜晶粒显著变大。其原因除了ZnS晶胞参数比ZnO的大外，主要是ZnS晶体在硫蒸气中容易再结晶长大所致。所以在ZnO硫化过程中，会发生ZnO→ZnS转变和ZnS再结晶。 ZnO转变为ZnS是通过晶体中S内扩散和O外扩散完成。所以，晶粒变大，增加了原子扩散距离，不利于S替换晶格中O，导致完全硫化所需时间变长。 当硫化时间上升为22h时，晶粒尺寸几乎没有变化。当硫化时间进一步增加到26h时，同样由于ZnS晶粒再结晶生长，ZnS薄膜晶粒又有显著变化，从约200nm增大到约1μm，同时ZnS薄膜变得稀疏。 4 分析与结果-不同硫化时间-光学性质 图是ZnO薄膜在硫蒸气中硫化前后的透射光谱图。 由图可见，在硫化前，ZnO薄膜具有高的光透过率，约为80％，其特征光吸收边出现在370nm附近。而在18h、22h和26h硫化后，其光吸收边移至340nm附近，对应于ZnS特征光吸收。 这也表明ZnO完全转变为ZnS，与XRD分析结果一致。 同时，硫化生成的ZnS薄膜在紫外-可见光范围的光透过率较低，吸收边出现明显宽化。 4 分析与结果-不同硫化时间-光学性质 为了获得ZnS薄膜的禁带宽度(Eg)，我们由透射光谱和薄膜厚度计算得到了 (ahv)2 与 h 的关系。 因而，可以得到硫化18h、22h和26h生成ZnS薄膜的禁带宽度分别为3.54eV、3.66eV和3.57eV。 其中，22h硫化生长ZnS薄膜带隙最高。 4 分析与结果-不同硫化时间-AEM 22h硫化制备ZnS薄膜的AES图谱。 ZnS薄膜表面S和Zn浓度几乎相同，约为45at％。当离子开始向薄膜内刻蚀后，薄膜中S浓度都为约60at％，而Zn浓度约为35at％。很明显， ZnS薄膜中硫过量了，这些过量硫是由于在硫化降温阶段石英玻璃管中部分残余硫蒸气吸附在晶粒表面凝结而成。 而表面S/Zn原子比低于ZnS薄膜内，可能是表面硫被空气中氧所氧化生成挥发性的SO2所致 。 根据上述分析，我们认为残余硫吸附在薄膜晶粒表面，从而导致在硫蒸气中热硫化制备的ZnS薄膜光吸收边出现较大宽化以及光透过率低。 当离子刻蚀为5min时，发现S浓度和Zn浓度迅速减小，Si浓度迅速上升，O浓度也有所增加。这意味着刻蚀离子已到达薄膜-衬底之间的界面处，并且界面处（对应单晶Si衬底表面）可能存在少量Si的氧化物。 4 分析与结果-不同硫化时间-正电子展宽谱 图为22h和26h硫化制备的ZnS薄膜样品的S参数与正电子注入能量E的关系。 对于22h制备的ZnS样品，随着E增加，S参数先从0.5166开始减少，然后到达一个低的平缓区域，该处S参数平均为0.5111，对应于正电子在薄膜内部湮灭。 这是因为存在正电子被薄膜表面附近缺陷捕获的可能性，而在ZnS薄膜内的晶粒界面和晶体内部缺陷也可能会捕获正电子。 随着正电子能量进一步增加，S参数又开始上升，最后稳定在0.5220，表示正电子进入单晶Si衬底。两个ZnS样品的S参数随正电子能量变化趋势基本一致。 但26h硫化制备的ZnS薄膜内部的S参数为0.5125，比22h硫化制备ZnS薄膜内S参数值(0.5111)稍大一些，S参数的变大意味着ZnS薄膜内的空位型缺陷密度的增加。 与XRD和光学带隙分析结果一致。 5 结论 本实验采用反应磁控溅射沉积ZnO薄膜，再在500℃硫蒸气中硫化的到ZnS薄膜。 当溅射功率从40W增加到120W时，硫化前后薄膜沿c 轴择优取向更加明显，原因这可能是由于薄膜厚度的增加和结晶度的改善。此外，当RF功率从40W 增加到80W时，ZnS薄膜的平均晶粒尺寸略微增大；当RF功率继续增加至120W时，晶粒尺寸明显增大至约500nm ，这是由于高的RF功率导致高的薄膜密度，从而有利于晶粒的长大。同时，RF为80W时沉积的ZnO薄膜经22h 硫化后可以完全转变为六方向的ZnS薄膜，而RF为120W时沉积的薄膜经过22h 硫化后，只能部分转变为ZnS，这可能是由于此时的薄膜厚度大，难以完全硫化。 硫化时间只有大于或等于18h，ZnO才能完全转变为ZnS，沿(0 0 10)晶面择优生长。硫化前