Al掺杂ZnO薄膜原子力显微图像的多重分形研究

用原子力显微镜观察溶胶-凝胶法制备Al掺杂znO薄膜的表面形貌,运用多重分形理论研究Al掺杂ZnO薄膜的原子力显微图像,多重分形谱可以很好地定量表征薄膜的表面形貌.结果显示:Al掺杂量为0.5 at.%的ZnO薄膜经550℃退火处理后,rms粗糙度为1.817,Al掺杂量为1.0 at.%的ZnO薄膜经600℃退火处理后,rms粗糙度增大到4.625,相应的分形谱宽△α从0.019增大到0.287,分形参数△f由-0.075变为0.124.     

ZnO基紫外光电探测材料研究

ZnO作为II-VI族直接宽禁带半导体材料,在室温下的禁带宽度约为3.37 eV,对应紫外波段的光子能量,且ZnO具有较高的化学和热稳定性,较强的抗辐射损伤能力,来源丰富,电子诱生缺陷较低等特点,适用于制备高性能的紫外探测器。而ZnO在掺杂后形成的合金可调节其禁带宽度,并与ZnO的晶格失配度及热膨胀系数差别较小,可构成量子阱或超晶格结构被广泛地应用于光电器件中,提高光电性能,所以相关的带隙工程的开展有利于推进实用的高性能的ZnO基光电器件的开发。尤其是对于ZnO基紫外探测器件,ZnO基三元合金具有可调控其探测波段到日盲区的特点,在此基础上所实现的紫外探测器在军事和民用领域具有广泛应用。基于此,笔者采用掺杂的方式调制ZnO的禁带宽度,使ZnO基三元合金材料的光学禁带宽度达到4.4 eV以上,获得可用于日盲紫外光波段探测的ZnO基光电探测器;同时,通过控制掺杂技术开发ZnO基异质复合结构,可应用于高性能的紫外光电发射探测器件。主要内容和创新性结果如下:1.采用溶胶–凝胶方法制备了Mg、Cd、Al掺杂的ZnO基三元合金薄膜,并对其微结构和光电性能进行研究,分析其掺杂效率和光学禁带调制效应,获得掺杂对ZnO薄膜禁带宽度调制的规律,并从不同元素掺杂引起Zn3d电子结合能变化的角度探讨了其禁带调制的机理。2.采用射频磁控溅射法制备AlxZn1-xO(AZO)合金薄膜,研究不同掺Al浓度对其微结构和光电性质的影响规律,研究表明:Al粒子数分数增大到20%会导致ZnO纤锌矿结构的消失,表明掺Al的固溶度在20%以内,而当掺Al粒子数分数达到30%则出现新的晶相;且随掺Al粒子数分数增加,薄膜中晶粒细化,电阻率大幅上升;通过改变Al组分可较大地展宽光学带隙,在Al粒子数分数为30%时带隙被展宽至4.43 eV。3.探讨氧气氛对AZO合金薄膜导电性的影响,并通过对其微结构和光电特性的研究发现:溅射过程中通入少量氧气有利于获得结晶质量较好的c轴择优取向薄膜;而纯氩气氛下溅射的薄膜具有很低的电阻率,拉曼测试和SEM分析表明其存在特殊的内建电场和c轴取向平行于膜面的晶粒;溅射过程中氧分压的增加会导致薄膜的绝缘性能增强;其透光谱显示光学吸收边发生明显蓝移。4.研究AZO合金薄膜的光电响应性能,结果表明:掺入Al可抑制ZnO薄膜中氧空位缺陷的形成,Al粒子数分数的增大使得薄膜的绝缘性能增强,有利于实现暗电流低的光电探测器件,提高其光暗电流比,尤其是可以抑制慢速的氧气吸附和解吸附反应,从而提高器件的响应速度。获得的快速响应的AZO探测器在紫外光照下显示出对称的非线性特征,即采用元件替代方法将光敏电阻应用于蔡氏电路时,在变型蔡氏电路中可产生三涡旋光电混沌吸引子。5.研究掺Al对AZO薄膜表面势垒和功函数的影响,通过对不同Al浓度AZO合金薄膜的C-V测试,获得其表面接触势垒高度随Al浓度增加而减小的规律;分别从理论计算和I-V-T测试拟合研究了5%粒子数分数掺Al对ZnO薄膜表面功函数的影响,两种方式获得的表面功函数值分别下降了0.090 eV和0.098 eV。以上研究结果表明掺Al使得AZO薄膜的费米能级上移至导带,从而形成较小的表面势垒,有利于电子从表面逸出。6.研究将AlxZn1-xO薄膜用于实现NEA紫外光电阴极,制作AZO阴极真空光电管,其光暗电流相差两个数量级以上。采用高导电AZO薄膜作为透明导电底电极,在其上诱导生长阳离子空位为主导的AZO纳米晶表面层,由以上掺杂调制技术获得的AZO异质复合结构阴极材料,因为底电极和阴极膜同属AZO材料体系,界面间结合紧密,并能有效实现能带调制,具有良好的紫外光电发射性能。在铯激活条件下的测试结果为:暗电流为0.2 nA,在254 nm波长的紫外光照射下产生220 nA光电发射电流,光暗电流比达到103数量级。     

Na掺杂量对ZnO薄膜AFM图像多重分形谱的影响

用溶胶-凝胶法在Si（111）基片上制备Na掺杂ZnO薄膜,利用原子力显微镜（AFM）观察薄膜的表面形貌,采用多重分形理论定量表征薄膜的AFM图像。结果显示：随着Na含量的增加,薄膜平均颗粒尺寸逐渐增大,表面RMS粗糙度从7.4 nm增大到44.4 nm,分形谱宽Δα从0.059增大到0.200,说明薄膜表面高度分布不均匀程度逐渐增大;所有样品的Δf值均大于零,表明薄膜表面沉积于最高峰的原子数多于最低谷的原子数。     

N-Al共掺ZnO薄膜的p型传导特性

利用直流反应磁控溅射技术制得N-Al共掺的p型ZnO薄膜,N2O为生长气氛.利用X射线衍射(XRD),Hall实验,X射线光电子能谱(XPS)和光学透射谱对共掺ZnO薄膜的性能进行研究.结果表明,薄膜中Al的存在显著提高了N的掺杂量,N以N-Al键的形式存在.N-Al共掺ZnO薄膜具有优良的p型传导特性.当Al含量为0.15wt%时,共掺ZnO薄膜的电学性能取得最优值,载流子浓度为2.52×1017cm-3,电阻率为57.3Ω·cm,Han迁移率为0.43cm2/(V·s).N-Al共掺p型ZnO薄膜具有高度c轴取向,在可见光区域透射率高达90%.     

N-Al共掺ZnO薄膜的p型传导特性

利用直流反应磁控溅射技术制得N-Al共掺的p型ZnO薄膜，N2O为生长气氛．利用X射线衍射（XRD），Hall实验，X射线光电子能谱（XPS）和光学透射谱对共掺ZnO薄膜的性能进行研究．结果表明，薄膜中Al的存在显著提高了N的掺杂量，N以N-Al键的形式存在．N-Al共掺ZnO薄膜具有优良的p型传导特性.当Al含量为0.15wt%时，共掺ZnO薄膜的电学性能取得最优值，载流子浓度为2.52e17cm－3，电阻率为57.3Ω·cm，Hall迁移率为0.43cm2/(V·s)．N-Al共掺p型ZnO薄膜具有高度c轴取向，在可见光区域透射率高达90%．     

Al薄膜对(002)ZnO/Al/Si结构基片中ZnO薄膜特性影响的实验研究

采用射频磁控溅射法沉积制备了(002)ZnO/A l/Si复合结构。研究了Al薄膜对(002) ZnO/Al/Si复合结构的声表面波器件(SAWD)基片性能影响以及当ZnO 薄膜厚度一定时的Al膜最佳厚度。采用X射线衍射(XRD)对Al和ZnO薄膜进行了结构表征 ,采用 扫描电镜(SEM)对ZnO薄膜进行表面形貌表征,并从薄膜生长机理角度进行了分析。结果 表明,加Al薄膜有利于ZnO薄膜按(002)择优取向生长,并且ZnO 薄膜的结晶性能提高;与(002)ZnO/Si结构基片相比,当Al薄膜 厚为100nm时,(002)ZnO/Al/Si结构中ZnO薄 膜的机电耦合系数提高 了65%。     

Al掺杂ZnO紫外探测器的快速响应技术

通过交变电场下的紫外光响应测试,观察到ZnO基薄膜在254 nm紫外光激发下的慢响应现象,并测量了响应时间常数。为提高ZnO基薄膜紫外探测器的性能,采用磁控溅射法,制备了纯ZnO薄膜和掺Al浓度为10 at.%(原子比例)的ZnO薄膜紫外探测器,测量了样品的频率特性曲线。结果表明,Al掺杂能有效地抑制ZnO薄膜的慢响应,实现探测器对紫外光的响应时间常数τ<25μs的快速响应。     

掺Al对ZnO薄膜发光性能的调控作用

采用溶胶-凝胶法，在玻璃上制备了不同掺Al浓度的ZnO薄膜。x射线衍射（XRD）结果表明，所制备的薄膜具有c轴择优取向，随着掺Al浓度的增加，（002）峰向低角移动，峰强逐渐减弱。探讨了掺Al对ZnO薄膜发光性能的调控作用，薄膜的透射谱表明：通过改变掺Al浓度，可以提高ZnO薄膜的紫外光透过率，使其吸收边向短波长方向的移动被控制在一定的范围内，从而使薄膜禁带宽度连续可凋；薄膜的光致发光（PL）谱显示：纯ZnO薄膜的PL谱是由紫外激子发光和深能级缺陷发光组成，通过掺Al有助于减少薄膜的缺陷，减弱深能级的缺陷发光，同时紫外带边发射的峰位向高能侧蓝移，与吸收边缘移动的结果相吻合，由紫外发光峰位获得的光禁带与通过透射谱拟合得到的光禁带基本一致。     

TiN薄膜表面形貌的分形表征及其演化特征

用反应磁控溅射方法在Si基片上沉积TiN膜,用原子力显微镜(ARM)观察薄膜表面形貌.比较研究了尺码法、盒计数法、功率谱密度法与高度-高度相关函数法计算的表面形貌分形维数Df结果,并研究了TiN膜表面形貌的演化特征.结果表明,功率谱密度法与高度-高度相关函数法计算的Df值与AFM观测尺度不相关,具有较好的稳定性,随着膜厚h增加,薄膜分形维数Df先减小再增加,这是由生长初期基片表面影响与生长后期的晶粒长大所导致的.     

紫外光照下ZnO基薄膜的光电和气敏特性研究

用sol-gel法制备ZnO及掺杂Al3+的ZnO半导体薄膜,利用XRD和AFM对薄膜结构和形貌进行表征。测量了不同掺Al量的薄膜在紫外光照射下电阻的变化,发现随着掺Al量的增大,薄膜在紫外光(波长为365nm)照射后其电阻先减小后增大。在室温下,对薄膜在不同浓度的CO气体下的敏感特性进行了研究,随着气体浓度的增加,薄膜电阻值逐渐减小;随着掺Al量的增大,气敏灵敏性先逐渐增大后减小,发现当铝含量为r(Al:ZnO)=0.5%时,对CO气体的灵敏度最大,并对紫外光照射下气敏半导体薄膜的气敏机理进行了简单分析。     

300 nm厚Cu膜的表面分形特征与电学性能

用磁控溅射工艺在不同的沉积温度下生长300 nm厚Cu膜.用原子力显微镜(AFM)获取薄膜表面形貌,并基于分形理论定量表征;用四点探针电阻测试仪测定薄膜电阻率.结果表明,Cu膜表面分形维数(Df)及电阻率(D)与沉积温度(T,)密切相关.随着 T,升高,Df与ρ均经历了先减小再增加的过程,在Ts<373 K时,表面扩散导致薄膜表面平滑,而当Ts>373 K时,晶粒长大诱导表面形貌复杂化;当Ts<673 K时,ρ随着Ts的增加而不断减小,而当Ts>673 K时,晶粒异常长大导致其几何形态和分布方式改变,ρ反常增加.     

Surface planarization of ZnO thin film for optoelectronic applications

In this paper, surface morphology and optical properties are investigated to find the optimum microstructure of zinc oxide (ZnO) thin films deposited by radio frequency (RF) magnetron sputtering. To achieve a high transmittance and a low resistivity, we examined various film deposition conditions. The transmittance and surface morphology of ZnO thin films were measured by an ultraviolet (UV)-visible spectrometer and atomic force microscopy (AFM), respectively. In order to improve the surface quality of ZnO thin films, we performed chemical mechanical polishing (CMP) by change of process parameters, and compared the optical properties of polished ZnO thin films. As an experimental result, we were able to obtain good uniformity and improved transmittance efficiency by the CMP technique.     

氧源的射频离化对ZnO MOCVD材料生长与性质的影响

在不同温度条件下，利用低压金属有机源化学气相沉积（LP-MOCVD）系统制备ZnO薄膜，对在氧源离化和非离化两种状态下生长的ZnO薄膜材料进行了相关的研究比较．通过X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、低温光致发光谱等方法研究了离化参数与生长速率、晶体质量、表面结构以及光学特性之间的相互关系，研究发现射频等离子体离化对薄膜生长速率等参数有明显的影响，通过优化相关离化实验参数可以极大的改进和提高材料的结构和光学性质．     

退火态Cu膜表面形貌的分形特征

用磁控溅射工艺在Si基片上沉积500nm厚Cu膜,并在不同温度下进行快速退火处理。用扫描电镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）观察薄膜表面形貌,并根据分形理论予以定量表征。结果表明：当退火温度T在小于673K范围内增加时,分形维数Dr逐渐减小;而当T增加至773K时,Dr异常增加。本文根据表面扩散、晶粒长大、缺陷形成等机制对其进行了分析。     

粗糙薄膜表面的原子力显微镜研究和多重分形分析

用一系列生成元模拟了具有不同特征的、与原子力显微镜图像相似的规则粗糙表面。详细讨论了规则粗糙表面多重分形谱参数的意义。并通过与方均根粗糙度（rms）和简单分形维数D0的比较，描述了多重分形分析的优点。最后用多重分形的方法分析了由AFM测量的ZnO薄膜和高聚物PtBuA薄膜的表面形貌。     

Enhancement of photoluminescence in Sr doped ZnO thin films prepared by spray pyrolysis

Photoluminescence characteristics of strontium doped zinc oxide (ZnO:Sr) thin films grown by spray pyrolysis method were investigated. The ZnO:Sr films were highly transparent having polycrystalline hexagonal wurtzite structure. A redshift of 130 meV in the optical band gap was observed owing to atomic size mismatch induced defect states and increase in the crystallite size in ZnO:Sr films. The enhancement of intensity of violet emission in room temperature photoluminescence by 250% is in correlation with the improved surface morphology at higher concentration of Sr in ZnO:Sr thin film. The observed increment in visible emissions is attributed to Sr induced oxygen vacancy related recombination in ZnO.     

ZnO缓冲层和退火处理对MgO薄膜结构的影响

采用直流反应磁控溅射法在Si衬底上引入ZnO缓冲层制备了沿(200)晶面择优取向生长的MgO薄膜,然后分别采用快速退火和常规退火两种不同的方式对MgO薄膜进行晶化处理。利用X射线衍射仪(XRD)以及原子力显微镜(AFM)研究了ZnO缓冲层以及两种不同的退火方式对MgO薄膜的结构和形貌的影响。结果表明:具有合适厚度的ZnO缓冲层可以显著地提高MgO薄膜的结晶质量。另外,与快速退火相比,常规退火处理后得到的MgO晶粒均匀圆润,有着较大的(200)衍射峰强度以及较小的表面粗糙度。     

不同N_2气流量比反应溅射TiN薄膜的表面形貌分形特征

采用反应磁控溅射工艺通过改变N<,2气流量比在Si衬底上沉积300nm厚TiN薄膜.用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌,并根据分形理论予以定量表征.结果表明:TiN薄膜的溅射模式与分形维数D<,f>值的演化存在相关性.当N<,2气流量比由O.0%增加至4.0%时,TiN薄膜的溅射方式属于金属模式,D<,f>保持不变;当N<,2气流量比继续增加至10.0%时,薄膜溅射方式转变为过渡模式,此时D<,f>急剧减小;而当N<,2气流量比超过10.0%以后,薄膜溅射模式改变为氮化物模式,相应的D<,f>轻微增加.     

射频磁控溅射掺氮ZnO薄膜的制备与表征

以ZnO为靶材,采用射频磁控溅射法,在衬底温度为450℃、混合气体压强为1.3Pa的条件下,在石英玻璃和抛光单晶硅衬底上沉积了一系列呈六角纤锌矿结构、沿(0002)晶面高度取向生长的ZnO薄膜.利用X射线衍射、四探针、原子力显微镜、吸收光谱和光致荧光光谱等实验分别对薄膜样品的晶体结构、表面形貌和光电特性进行了分析表征.结果表明,氮对ZnO薄膜的缺陷有明显的钝化作用,气体组分、溅射功率是影响ZnO薄膜沿C轴择优取向生长、结构特征和光电性质的重要因素.     

用脉冲激光沉积方法制备的ZnO薄膜的结构及光致发光特性

在从室温到800℃的温度范围内,用脉冲激光沉积方法在Al₂O₃（0001）衬底上制备了ZnO薄膜。采用X射线衍射仪、原子力显微镜以及荧光光谱仪分别研究了衬底温度对ZnO薄膜表面形貌、结晶质量和光致发光特性的影响。X射线衍射仪和原子力显微镜的结果表明,当衬底温度从室温升高到400℃时,ZnO薄膜的结构及结晶质量逐渐提高,而当衬底温度超过400℃时,其结构和结晶质量变差;在400℃下生长的ZnO薄膜具有最佳的表面形貌和结晶质量。室温光致发光的测量结果表明,400℃下生长的ZnO薄膜的紫外发光强度最强,且发光波长最短（386 nm）。