Co、Cu共摻雜ZnO薄膜的制備及性質(zhì)研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種Ⅱ-Ⅵ族直接寬帶隙半導(dǎo)體，室溫下帶隙為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV，穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)是六角纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.3249nm，c=0.5206nm。ZnO具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，特別是具有優(yōu)良的光電，壓電，氣敏特性，在紫外探測(cè)器、磁存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體集成電路、半導(dǎo)體激光器、表面聲波器件及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)藍(lán)光和紫光等短波長(zhǎng)發(fā)光材料的需求越來(lái)越迫切；而且TM摻雜Z

2、nO稀磁半導(dǎo)體(diluted magnetic semiconductor,簡(jiǎn)記TMS)材料Tc可以達(dá)到室溫以上，為自旋電子器件的發(fā)展提供了光明的前景，因此對(duì)ZnO光、磁性能的進(jìn)一步研究就顯得更有意義。
　　 本文采用溶膠-凝膠法(Sol-gel)制備Co、Cu單摻雜和(Co，Cu)共摻雜ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜。先用二水醋酸鋅水解獲得ZnO溶膠，再經(jīng)過(guò)旋涂鍍膜，在不同摻雜情形下制備ZnO薄膜，最后對(duì)樣品微結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性及磁性行

3、為進(jìn)行了初步的探究和分析。研究?jī)?nèi)容如下：
　　 首先，按Zn、Co、Cu的化學(xué)計(jì)量比，將適量的硝酸鋅Zn(NO3)2·6H2O、乙酸銅Cu(CH3COO)2·H2O、乙酸鈷四水Co(CH3COO)2·4H2O配成混合物溶解在40mL無(wú)水酒精中并加入乙醇胺C2H7NO作為穩(wěn)定劑在60℃水浴中進(jìn)行磁力攪拌2.5h制備溶膠，并在室溫下靜放一段時(shí)間后，利用勻膠機(jī)(KW-4A型)旋涂在表面干凈的基片上，并在150℃的烘烤爐中進(jìn)行烘烤，持續(xù)

4、時(shí)間為5min，然后自然冷卻，重復(fù)旋涂七次；將表面附有凝膠的基片放入馬福爐中，先將溫度升到250℃處理1Omin，接著再升溫到450℃退火處理2小時(shí)，得到表面光滑分布均勻的薄膜樣品。
　　 利用金相顯微鏡、原子力顯微鏡和X射線衍射技術(shù)對(duì)樣品表面進(jìn)行分析，金相顯微鏡照片和原子力顯微鏡照片顯示該方法所制備的ZnO薄膜表面均勻致密，X射線衍射(XRD)研究揭示所有ZnO薄膜樣品都存在(002)擇優(yōu)取向，在Cu單摻的ZnO薄膜中晶粒尺寸

5、最大。對(duì)所有樣品的室溫光致發(fā)光測(cè)量都觀察到較強(qiáng)的藍(lán)光雙峰發(fā)射和較弱的綠光發(fā)射，其中長(zhǎng)波長(zhǎng)的藍(lán)光峰和綠光峰都能夠通過(guò)摻雜進(jìn)行控制；磁性測(cè)量表明，無(wú)論是單摻還是共摻的ZnO薄膜都具有室溫鐵磁性，且Co摻雜和共摻雜ZnO薄膜的磁性相近，而Cu單摻ZnO薄膜磁性稍弱一點(diǎn)。對(duì)不同摻雜源的ZnO薄膜發(fā)光性能及磁性進(jìn)行了分析，認(rèn)為藍(lán)光峰來(lái)源于電子由導(dǎo)帶底到鋅空位能級(jí)的躍遷及鋅填隙到價(jià)帶頂?shù)能S遷，綠光峰是由于摻雜造成的氧錯(cuò)位缺陷能級(jí)所致，(℃o，Cu)

6、摻雜ZnO薄膜的鐵磁性起源可能與氧空位有關(guān)。
　　 進(jìn)而研究了Co摻雜濃度對(duì)Zn1-xCoxCu0.02O薄膜發(fā)光性能的影響。通過(guò)金相顯微鏡觀察了Co的摻雜量不同的條件下ZnO薄膜的形貌，發(fā)現(xiàn)顆粒的尺寸和數(shù)量隨著Co摻雜濃度的增加而減少。微結(jié)構(gòu)和熒光光譜測(cè)量表明，摻雜物離子都進(jìn)入了ZnO晶格，而且樣品都具有沿c軸擇優(yōu)取向。當(dāng)Co摻雜量x=O.06時(shí)，樣品的結(jié)晶性能最好。分析了Co摻雜對(duì)Zn1-xCu0.02CoxO薄膜中的氧空位