Zn-Sn氧化物薄膜溶膠凝膠法制備及光電特性研究.pdf

1、三元乃至多元氧化物半導(dǎo)體由于具有獨特的氣敏性、催化活性、電導(dǎo)性等而廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。若制備成納米材料，則會有與尺寸關(guān)聯(lián)的特異性能，如多鐵電、鐵電、超導(dǎo)、巨磁阻等。然而，和單質(zhì)和二元體系半導(dǎo)體材料相比，三元氧化物的合成方法的種類還比較少，也不成熟。具體而言，對于鋅錫氧材料，在實驗中由于制備參數(shù)的不同，其結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生多種變化。且對鋅錫氧材料的研究主要集中在本征材料的外在特性表現(xiàn)，而具體制備與結(jié)構(gòu)、摻雜對特性的影響等鮮有研究。
　　本文

2、采用溶膠凝膠法制備了未摻雜、鈦摻雜和鎂摻雜鋅錫氧薄膜，研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性和表面形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)三元鋅錫氧薄膜制備需要高溫條件。之后采用四價錫鹽，在300-1000℃范圍內(nèi)對薄膜進行退火，結(jié)果發(fā)現(xiàn)400-700℃范圍內(nèi)生成了錫酸鋅晶相，而在900-1000℃范圍內(nèi)生成了偏錫酸鋅晶相，實現(xiàn)了鋅錫氧薄膜的溫度可控生長。在此基礎(chǔ)上對薄膜的制備條件進行了一系列的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)最佳制備參數(shù)為:采用四價錫鹽，鋅錫摩爾比為2∶1，退火溫度700℃(錫

3、酸鋅)和900℃（偏錫酸鋅），退火時間3h，升溫速率12.5℃/min，此時錫酸鋅薄膜中晶粒尺寸為80 nm左右，內(nèi)部應(yīng)力較小，晶格畸變較小，薄膜平整致密，禁帶寬度在4.2 eV左右，可見光區(qū)透光率達95％。根據(jù)未摻雜鋅錫氧材料的第一性原理計算，預(yù)測鈦摻雜和鎂摻雜能夠?qū)崿F(xiàn)特性調(diào)制。
　　對于700℃退火處理后的樣品，當摻入鈦元素和鎂元素時，并沒有改變鋅錫氧三元氧化物薄膜的晶相成分，但薄膜可見光透光率有所提升，禁帶寬度被展寬。鈦摻雜

4、濃度為2％，鎂摻雜濃度為6％的薄膜樣品中錫酸鋅結(jié)晶性最好，均表現(xiàn)出壓縮應(yīng)變。900℃退火處理后的鈦摻雜和鎂摻雜薄膜中均出現(xiàn)了錫酸鋅和偏錫酸鋅兩種晶相，且鈦摻雜的鋅錫氧薄膜表面變得比第二章中優(yōu)化后的樣品形貌更差，而鎂摻雜薄膜的樣品對可見光區(qū)透光率較差，因而需要進一步優(yōu)化其制備條件。
　　對于錫酸鋅材料，計算表明鈦摻雜使其價帶最高點和導(dǎo)帶最低點處在不同的位置，同時鈦原子和原本晶體中的外層電子發(fā)生了作用，使得導(dǎo)帶項的態(tài)密度增大，同時縮小

5、了帶隙寬度。實驗和計算禁帶寬度數(shù)值偏差出現(xiàn)的原因可能是計算時精度不夠高，而且實驗時的制備條件對薄膜能帶結(jié)構(gòu)有很大影響。鎂摻雜在錫酸鋅材料中造成Mg-2p和Mg-3s態(tài)密度的提高，為禁帶中帶來了更多的雜質(zhì)能級，從而提高其電導(dǎo)性。對于偏錫酸鋅材料，摻雜鎂原子和鈦原子均對禁帶內(nèi)能級和帶隙沒有影響，但卻使得導(dǎo)帶縮短，態(tài)密度增大，從而可以在一定程度上提高材料的載流子遷移率?？傊?，鈦元素和鎂元素摻雜均對鋅錫氧薄膜電子能態(tài)結(jié)構(gòu)有重大影響，可以根據(jù)需要