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射频磁控溅射法制备纳米ZnO薄膜的蓝光发射VIP免费

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射频磁控溅射法制备纳米ZnO薄膜的蓝光发射宋国利1,方香云2,梁红11.哈尔滨学院物理系,黑龙江哈尔滨1500862.中国科学院理化技术研究所,北京100190摘要利用射频磁控溅射方法,在石英表面上制备了具有良好的C轴取向的纳米ZnO薄膜。室温下,在300nm激发下,在450nm附近观测到ZnO薄膜的蓝光发射(430~460nm)、。探讨了气氛中氧气与氩气比对薄膜质量及发光性质的影响,给出了纳米ZnO薄膜光致发光(PL)的积分面积和峰值强度与氧氩比关系。分析了纳米ZnO薄膜的可见发射机制,初步证实了ZnO蓝光发射(2.88~2.69eV)来自氧空位(Vo)形成的浅施主能级上的电子至价带顶的跃迁。主题词纳米ZnO薄膜;蓝光发射;射频磁控溅射法中图分类号:O484文献标识码:A引言ZnO是一种宽禁带直接带隙的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,具有优异的晶格、光学、电学性能。室温下激子束缚能高达60meV,禁带宽度约为3.37eV,尤其是在紫外波段存在受激发射。这种紫外受激发射使得ZnO薄膜成为制备短波长激光、发光半导体重要的候选材料,在紫外探测器、太阳能电池窗口、场致发射显示、LED、LD等领域有广泛的应用前景。自1997年发现ZnO薄膜的室温紫外发射以来,ZnO薄膜的制备及其光电子特性的研究成为新的研究热点,受到国内外光学材料领域的广泛关注[1~8]。目前,研究人员已采用了诸多先进的ZnO薄膜制备方法,主要有分子束外延(MBE)[1~4,9,10]、激光脉冲沉积(PLD)[11]、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)[12]、直流溅射法(DCS)[13]、反应溅射法(AS)[14,15]、射频磁控溅射法(MS)[16,17]等;溶胶-凝胶法(Sol-Gel)[18]等化学手段也被广泛使用。本文利用射频磁控溅射法(Radio-frequencymagnetronsputtering,RFMS),在石英表面上制备了C轴择优取向的纳米ZnO薄膜。室温下,测量了样品的X射线衍射谱(X-raydiffractionpattern,XRD)和光致发光谱(Photoluminescencespectrum,PL)、吸收谱(Absorptionspectra,ABS)、激发谱(Photoluminescenceexcitationspectrum,PLE)。探讨了气氛中氧气与氩气比对薄膜质量及发光性质的影响,分析了纳米ZnO薄膜的可见发射机制。1实验和测量利用射频磁控溅射方法在石英衬底上沉积了ZnO薄膜。靶材为99.99%的Zn,氧气和氩气的纯度均为99.99%。首先用甲苯、丙酮、乙醇、去离子水对衬底进行超声处理;并将Zn靶在氩气中预溅射10min,以除去Zn靶表面的氧化物。溅射前反应室气压低于5.0×10-4Pa,溅射功率为300W,靶与衬底间距为50mm。溅射过程中气压保持在1.0Pa,溅射时间为1h,衬底温度为300℃,衬底转速为60r/min。溅射过程中,通过调整氧气和氩气的流量来改变二者的比例,氧氩比在0.5:1~4:1范围内变化。其中样品标号为a,b,c,d的氧氩比分别为1.0:1,1.5:1,2.0:1,3.0:1。在空气气氛下,上述四个样品均在800℃退火1h,自然冷却至室温,薄膜厚度约为150~200nm。样品的光谱测量均在室温下进行。X射线衍射谱(XRD)是用日本理学D/MAX-3AX型X射线衍射仪基金项目:国家自然科学基金项目(10776033);哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2007RFXXG038)作者简介:宋国利(1964-),男,哈尔滨人,教授;Tele:0451-86655834,E-mail:S.GL@263.net测得,辐射源为0.1541nm的Cu-Kα线。光致发射谱(PL)和激发谱(PLE)在Hitachi-F-4500型荧光分光光度计上获得,吸收谱(ABS)是用Varian紫外-可见吸收分光光度计测试的,300nm的激发光来自于150W的Xe灯。2结果和讨论图1给出了不同氧氩比的纳米ZnO薄膜的X射线衍射谱(XRD)。在衍射角2θ为34.1°或34.3°附近,出现了较强的ZnO(002)晶面衍射峰。XRD结果表明,在石英衬底上制备的纳米ZnO薄膜为C轴择优取向的六角纤锌矿结构。图1不同氧氩比的纳米ZnO薄膜的X射线衍射谱(XRD)Fig.1X-raydiffractionpatternofnanocrystallineZnOfilmsatthedifferentratioofO2/Arinprocessing利用X射线衍射谱,由Debye-Scherrer公式:d=kλ/βcosθ给出样品的平均粒径,其中β为衍射峰的半高宽(FWHM),θ为Bragg衍射角,d为晶粒的平均粒径。计算结果为22nm(样品a),27nm(样品b),30nm(样品c),33nm(样品d)。从XRD结果可以看出,随着氧氩比增大,样品的衍射峰强度略有增强,衍射峰向大...

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