靜電增強(qiáng)超聲霧化熱解法制備ZnO薄膜的性能研究.pdf

1、使用靜電增強(qiáng)超聲霧化熱解法制備了ZnO薄膜，用XRD、SEM、PL、RAMAN等手段研究了制備條件對(duì)ZnO薄膜形貌、內(nèi)部缺陷的類(lèi)型、發(fā)光性能、氣敏性能的影響；研究了摻雜對(duì)ZnO薄膜光學(xué)性能、電學(xué)性能、氣敏性能的影響；并以制備的ZnO薄膜為緩沖層，在Si襯底上生長(zhǎng)ZnO納米陣列和ZnO納米結(jié)構(gòu)，研究了ZnO納米陣列在氣體電離傳感器上的應(yīng)用。其主要研究結(jié)論如下： (1)采用靜電增強(qiáng)超聲霧化熱解方法制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜，并對(duì)不同工

2、藝條件下薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、形貌、沉積速率、光致發(fā)光進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前驅(qū)體的濃度在0.01～0.005M之間時(shí)，襯底溫度在400～500℃，當(dāng)載氣量為200-500sccm制備的薄膜的取向性較好，且薄膜平整致密。使用較高濃度前驅(qū)體制備的ZnO中，存在明顯的藍(lán)光發(fā)射峰和綠光發(fā)射峰；藍(lán)光發(fā)射峰與鋅間隙能級(jí)有關(guān)；綠光發(fā)射峰由VZn的不同電離態(tài)引起；在600℃下氧氣氛退火60 min后藍(lán)光發(fā)光峰和綠光發(fā)光峰消失了。 (2)評(píng)價(jià)了不同襯

3、底溫度、不同載氣條件下制備的ZnO薄膜的電學(xué)性能，在襯底溫度為440℃制備出了霍爾遷移率為141 cm2/Vs，電陰率為9.99Ωcm-1的p-型ZnO薄膜；使用XPS和低溫PL分析了在440℃制備的p-型ZnO的成分及受主缺陷的類(lèi)型，該薄膜中受主能級(jí)位于價(jià)帶上160 meV和250meV處，并推測(cè)其與No和VZn有關(guān)。研究了晶界對(duì)薄膜電學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)載氣的類(lèi)型影響薄膜的導(dǎo)電性能。使用SCM對(duì)氧氣做載氣制備的ZnO薄膜的載流子分布進(jìn)

4、行了表征。晶界上吸附的氧使得晶粒中的電子耗盡，造成晶粒中空穴的散射作用減弱和晶界附近空穴積累，是引起超高空穴遷移率的原因。 (3)制備了Ag摻雜和N摻雜p-型ZnO薄膜，研究了它們的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能、電學(xué)性能，摸索了最佳的摻雜量。研究了雙受主共摻雜理論，揭示了Ag-N共摻雜在理論是可行的。使用共摻雜技術(shù)制備ZnO:(Ag，N)薄膜，并研究了該薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)電學(xué)性能。XDR表明共摻雜提高了晶體的質(zhì)量，霍爾測(cè)量表明共摻雜制備的ZnO

5、有較低的電阻和較高的霍爾遷移率；實(shí)驗(yàn)表明雙受主共摻雜增強(qiáng)了N和Ag原子的穩(wěn)定性，提高了摻雜濃度；我們還發(fā)現(xiàn)ZnO(Ag，N)與ZnO:Ag相比，薄膜的光學(xué)透過(guò)率明顯提高，Ag-N共摻雜的ZnO電學(xué)和光學(xué)性能的穩(wěn)定性較好。 (4)使用化學(xué)氣相傳輸法在蒸金的硅片生長(zhǎng)了ZnO納米線；通過(guò)分析生長(zhǎng)不同階段的SEM，明確了ZnO納米線的生長(zhǎng)遵循VLS機(jī)理。使用靜電增強(qiáng)超聲霧化法在Si上制備了ZnO緩沖層，并在該緩沖層上生長(zhǎng)了ZnO納米陣列

6、。在Si上使用不同催化劑成功生長(zhǎng)了ZnO納米結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cu作催化劑在Si襯底上得到楔狀ZnO納米片，該結(jié)構(gòu)的ZnO納米片沿[0110]方向生長(zhǎng)，納米片上下表面為±(0001)極性面；納米片的生長(zhǎng)遵循VLS機(jī)理，屬于六角纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，納米片的位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)等晶格畸變較少；使用Zn催化在Si襯底上得到長(zhǎng)達(dá)幾百微米的ZnO納米帶。ZnO納米帶沿[0110]方向生長(zhǎng)，屬于六角纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)；納米帶的生長(zhǎng)遵循VLS機(jī)理。比較了不同使用不同催

7、化劑制備ZnO的PL。實(shí)驗(yàn)表明，在緩沖層上Au催化制備的ZnO納米陣列具有較強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度，Cu催化制備的ZnO楔狀納米片次之，Zn催化制備的ZnO納米帶最弱；這是由于使用不同的催化劑制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)中的缺陷數(shù)量和缺陷類(lèi)型不同造成的。 (5)研究了場(chǎng)致電離氣敏傳感器的工作原理。發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)限制區(qū)中，氣體場(chǎng)致電離產(chǎn)生的電流強(qiáng)度與氣體的特性密切相關(guān)，可以作為鑒別不同氣體的特征。使用有限元軟件模擬了納米線頂端的場(chǎng)強(qiáng)分布，模擬的結(jié)果表明

8、納米ZnO的頂端電場(chǎng)增強(qiáng)因子的最大值約為187。使用不同取向的ZnO納米棒制作了場(chǎng)致電離氣體傳感器，研究了不同形貌納米線制備器件對(duì)丙酮的響應(yīng)曲線，測(cè)試表明器件的響應(yīng)曲線分為三個(gè)區(qū)，響應(yīng)曲線與電場(chǎng)增強(qiáng)因子β密切相關(guān)。研究了器件對(duì)甲苯和丙酮的電離特性曲線。從氣體放電電流和擊穿電壓來(lái)看，器件可以明顯的區(qū)分甲苯和丙酮。測(cè)量了器件對(duì)NOx化合物的響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明在較低的濃度下，NOx化合物的濃度電流響應(yīng)值呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系，器件的響應(yīng)速度為17～4

9、0s，器件的靈敏度為0.045±0.007 ppm/pA。測(cè)量了器件對(duì)苯、異丙醇、乙醇、甲醇化合物的響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明器件對(duì)靜態(tài)極化率較大，電離能低的氣體有一定的選擇性。 (6)測(cè)試了不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜對(duì)NO2氣體的氣敏性能；實(shí)驗(yàn)表明550℃制備的粉末狀的ZnO薄膜對(duì)NO2的敏感度較高，并表現(xiàn)出較好的響應(yīng)-恢復(fù)特性；研究了致密的ZnO薄膜厚度對(duì)氣敏性能的影響，實(shí)驗(yàn)表明薄膜對(duì)NO2的敏感度隨膜厚增加而減少；對(duì)于550℃制備

10、的粉末狀的ZnO薄膜而言，對(duì)NO2的敏感度先隨薄膜的厚度增加而增加，當(dāng)薄膜厚度到達(dá)一定程度時(shí)，其敏感度反而下降了。研究了ZnO:Al薄膜對(duì)NO2的敏感度，實(shí)驗(yàn)表明在260℃的工作溫度下，當(dāng)ZnO:Al中Al含量為0.4mol％，對(duì)40ppm的NO2的敏感度高達(dá)74.8。研究了ZnO:Ag薄膜對(duì)NO2的敏感度，當(dāng)摻Ag量為3mol％時(shí)，ZnO:Ag薄膜對(duì)NO2的靈敏度最高，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)ZnO:Ag薄膜在NO2中光學(xué)透過(guò)率會(huì)發(fā)生改變。我們比較